JP2008045471A - Gas fuel internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ガス燃料内燃機関に関し、特に、補助燃料による着火補助を受け、水素等のガス燃料による自着火運転が可能なガス燃料内燃機関に関する。 The present invention relates to a gas fuel internal combustion engine, and more particularly, to a gas fuel internal combustion engine that is ignited by auxiliary fuel and is capable of self-ignition operation using gas fuel such as hydrogen.
従来、内燃機関の燃料としてガス燃料である水素を使用することが知られている。水素は、その可燃範囲が体積割合で4〜75%とかなり広く、空気過剰率が4以上程度の極めて薄い混合気でも十分に燃焼させることができる。このため、水素を内燃機関の燃料として利用する場合には、極めてリーンな空燃比でも動力を取り出すことができ、いわゆる超リーンバーン運転が可能となる。 Conventionally, it is known to use hydrogen which is a gas fuel as a fuel for an internal combustion engine. Hydrogen can be combusted sufficiently even in an extremely thin air-fuel mixture with a combustible range of 4 to 75% in volume ratio and an excess air ratio of about 4 or more. For this reason, when hydrogen is used as a fuel for an internal combustion engine, power can be taken out even at a very lean air-fuel ratio, and so-called super-lean burn operation becomes possible.
超リーンバーン運転によれば、スロットルを略全開にできるので、ポンプ損失を低減することができ、また、燃焼温度が低下することから冷却損失も低減することができる。ポンプ損失及び冷却損失の低減によって、内燃機関の効率は向上し、燃費に優れた高効率での運転が可能となる。更に、燃焼温度の低下によって、NOXの発生量を略ゼロまで抑制することができ、また、水素を燃料とすることで、CO2やCOの発生もない。したがって、水素を用いた超リーンバーン運転によれば、完全なゼロエミッションの実現も可能になる。 According to the super lean burn operation, the throttle can be substantially fully opened, so that the pump loss can be reduced and the cooling temperature can be reduced because the combustion temperature is lowered. By reducing the pump loss and the cooling loss, the efficiency of the internal combustion engine is improved, and high-efficiency operation with excellent fuel efficiency becomes possible. Furthermore, the reduction of the combustion temperature, it is possible to suppress the generation amount of the NO X to approximately zero, also, by using hydrogen as fuel, there is no generation of CO 2 and CO. Therefore, the super lean burn operation using hydrogen makes it possible to realize complete zero emission.
そこで、自着火による運転が可能な内燃機関においても、水素を燃料として使用することが考えられる。しかしながら、水素等の自着火温度の高い燃料を使用する場合には圧縮比を高く設定せざるを得ず、機関効率の低下が問題となる。 Therefore, it is conceivable to use hydrogen as a fuel even in an internal combustion engine that can be operated by self-ignition. However, when a fuel having a high self-ignition temperature such as hydrogen is used, the compression ratio must be set high, resulting in a problem of reduction in engine efficiency.
このため、従来、例えば、特開平7−189848号公報に開示されるように、自着火温度の低い補助燃料を火種として燃焼を行う内燃機関が開示されている。より具体的には、自着火温度の高い主燃料と補助燃料が単一の噴射弁から燃焼室内に噴射される。これにより、補助燃料が火種となり、主燃料を効果的に燃焼させることができる。 For this reason, conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-189848, an internal combustion engine that performs combustion using auxiliary fuel having a low self-ignition temperature as a fire type is disclosed. More specifically, main fuel and auxiliary fuel having a high self-ignition temperature are injected into the combustion chamber from a single injection valve. Thereby, auxiliary fuel becomes a fire type and main fuel can be burned effectively.
しかしながら、水素ガスは同発熱量の液体燃料に比べて体積が格段に大きいため、燃料噴射期間を長く設定せざるを得ないが、拡散燃焼期間が長くなるほど燃焼圧が低下してしまうため、効率の低下の問題が顕著となる。特に、上記特許文献1に開示されている装置においては、単一の噴射弁から主燃料および補助燃料が同時に噴射されるため、噴射開始直後に補助燃料を火種とした自着火燃焼が開始されてしまう。このため、予混合燃焼期間がほとんど無く、より拡散燃焼期間が長期化することとなる。 However, since the volume of hydrogen gas is much larger than that of liquid fuel with the same calorific value, the fuel injection period must be set longer, but the combustion pressure decreases as the diffusion combustion period becomes longer. The problem of lowering becomes noticeable. In particular, in the apparatus disclosed in Patent Document 1, since the main fuel and the auxiliary fuel are simultaneously injected from a single injection valve, self-ignition combustion using the auxiliary fuel as a fire type is started immediately after the start of injection. End up. For this reason, there is almost no premixed combustion period, and the diffusion combustion period becomes longer.
このように、水素を燃料とする自着火運転においては、燃料噴射期間に対する自着火タイミング、すなわち、予混合燃焼と拡散燃焼のバランスが内燃機関の効率に大きな影響を与えることとなる。 Thus, in the self-ignition operation using hydrogen as fuel, the self-ignition timing with respect to the fuel injection period, that is, the balance between premixed combustion and diffusion combustion has a great influence on the efficiency of the internal combustion engine.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス燃料を利用した自着火内燃機関の自着火タイミングの最適化を図り、高効率且つ低エミッションを実現できるようにしたガス燃料内燃機関を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is designed to optimize the self-ignition timing of a self-ignition internal combustion engine using gas fuel so that high efficiency and low emission can be realized. An object is to provide a fuel internal combustion engine.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、圧縮自着火運転が可能なガス燃料内燃機関であって、
ガス燃料を噴射するガス燃料噴射弁と、
自着火温度がガス燃料より低い補助燃料を噴射する補助燃料噴射弁と、
前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、ガス燃料の噴射期間を算出するガス燃料噴射期間算出手段と、
前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、ガス燃料の噴射開始時期を算出するガス燃料噴射開始時期算出手段と、
前記ガス燃料噴射期間と前記ガス燃料噴射開始時期とに基づいて、補助燃料の噴射開始時期を決定する補助燃料噴射開始時期決定手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a gas fuel internal combustion engine capable of compression self-ignition operation,
A gas fuel injection valve for injecting gas fuel;
An auxiliary fuel injection valve that injects auxiliary fuel having a self-ignition temperature lower than that of gas fuel;
Gas fuel injection period calculation means for calculating the injection period of gas fuel based on the operating condition / state of the internal combustion engine;
Gas fuel injection start timing calculating means for calculating the injection start timing of the gas fuel based on the operating condition / state of the internal combustion engine;
Auxiliary fuel injection start timing determining means for determining an auxiliary fuel injection start timing based on the gas fuel injection period and the gas fuel injection start timing;
It is characterized by providing.
また、第2の発明は、第1の発明において、
前記内燃機関は、ガス燃料として、水素ガスを使用する水素内燃機関であることを特徴とする。
The second invention is the first invention, wherein
The internal combustion engine is a hydrogen internal combustion engine that uses hydrogen gas as gas fuel.
また、第3の発明は、第1または2の発明において、
前記内燃機関は、補助燃料として、軽油を使用するガス内燃機関であることを特徴とする。
The third invention is the first or second invention, wherein
The internal combustion engine is a gas internal combustion engine that uses light oil as auxiliary fuel.
また、第4の発明は、第1乃至3の何れか1つの発明において、
前記補助燃料噴射開始時期決定手段は、
前記ガス燃料噴射期間が長いほど、前記補助燃料噴射開始時期が前記ガス燃料噴射開始時期よりも遅くなるように決定することを特徴とする。
The fourth invention is the invention according to any one of the first to third inventions,
The auxiliary fuel injection start timing determining means is
The auxiliary fuel injection start timing is determined to be later than the gas fuel injection start timing as the gas fuel injection period is longer.
また、第5の発明は、第1乃至4の何れか1つの発明において、
前記内燃機関の暖機が完了したことを確認する暖機完了確認手段と、
前記暖機完了が確認された場合に、前記補助燃料の噴射を禁止する禁止手段と、
を更に備えることを特徴とする。
The fifth invention is the invention according to any one of the first to fourth inventions,
A warm-up completion confirmation means for confirming that the warm-up of the internal combustion engine is completed;
Prohibiting means for prohibiting the injection of the auxiliary fuel when the warm-up completion is confirmed;
Is further provided.
また、第6の発明は、第1乃至5の何れか1つの発明において、
前記ガス燃料噴射弁は、複数方向にガス燃料を噴射可能に構成され、
前記補助燃料噴射弁は、前記ガス燃料噴射弁の各噴射方向に補助燃料を噴射するように配置されることを特徴とする。
The sixth invention is the invention according to any one of the first to fifth inventions,
The gas fuel injection valve is configured to be able to inject gas fuel in a plurality of directions,
The auxiliary fuel injection valve is arranged to inject auxiliary fuel in each injection direction of the gas fuel injection valve.
第1の発明によれば、ガス燃料による圧縮自着火運転が可能なガス燃料内燃機関において、内燃機関の運転条件・運転状態に基づいて特定されたガス燃料の噴射期間とガス燃料の噴射開始時期とに基づいて、補助燃料の噴射開始時期を特定することができる。補助燃料はガス燃料より自着火温度が低い。このため、本発明によれば、補助燃料の噴射時期に基づいて確実に着火時期を制御することができ、燃焼効率の最適化を図ることができる。また、補助燃料による自着火補助を行うことにより、圧縮比を低く設定することができ、機械損失を低減し機関効率を高めることができる。 According to the first aspect of the present invention, in the gas fuel internal combustion engine capable of performing compression auto-ignition operation with gas fuel, the gas fuel injection period and the gas fuel injection start time specified based on the operation condition / operation state of the internal combustion engine Based on the above, it is possible to specify the injection start timing of the auxiliary fuel. Auxiliary fuel has a lower auto-ignition temperature than gas fuel. Therefore, according to the present invention, the ignition timing can be reliably controlled based on the auxiliary fuel injection timing, and the combustion efficiency can be optimized. In addition, by performing self-ignition assistance with auxiliary fuel, the compression ratio can be set low, mechanical loss can be reduced, and engine efficiency can be increased.
第2の発明によれば、ガス燃料に水素ガスを使用する水素内燃機関により、本発明を実行することができる。 According to the second invention, the present invention can be implemented by a hydrogen internal combustion engine that uses hydrogen gas as the gas fuel.
第3の発明によれば、補助燃料に軽油を使用するガス燃料内燃機関により、本発明を実行することができる。 According to the third aspect of the present invention, the present invention can be implemented by a gas fuel internal combustion engine that uses light oil as auxiliary fuel.
第4の発明によれば、ガス燃料の噴射期間が長いほど、補助燃料噴射開始時期がガス燃料の燃料噴射開始時期よりも遅くなるように設定される。ガス燃料の噴射期間が長い場合においては、燃焼後期の燃焼圧低下による燃焼効率低下の問題が顕著に表れる。このため、本発明によれば、ガス燃料の噴射期間が長いほど予混合燃焼の割合を増加させることができ、エミッション悪化および効率低下を抑制することができる。 According to the fourth aspect of the invention, the auxiliary fuel injection start timing is set to be later than the fuel injection start timing of the gas fuel as the gas fuel injection period is longer. When the gas fuel injection period is long, the problem of a decrease in combustion efficiency due to a decrease in combustion pressure in the later stage of combustion appears remarkably. For this reason, according to this invention, the ratio of premix combustion can be increased, so that the injection period of gas fuel is long, and emission deterioration and efficiency reduction can be suppressed.
第5の発明によれば、ガス燃料が特に自着火しにくい冷間時のみ、補助燃料の噴射による着火補助が行われる。暖機完了前はガス燃料が自着火温度に到達し難いため、補助燃料の噴射による着火補助が有効である。一方、補助燃料を燃焼させるとCO2が排出されるため、エミッションが悪化する。このため、本発明によれば、ガス燃料が自着火可能な場合には補助燃料の噴射を行わないこととし、CO2の排出量を抑制することができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the ignition assist by the injection of the auxiliary fuel is performed only when the gas fuel is in a cold state where it is difficult to self-ignite. Since the gas fuel does not easily reach the self-ignition temperature before the warm-up is completed, the ignition assistance by the injection of auxiliary fuel is effective. On the other hand, when the auxiliary fuel is burned, CO 2 is discharged, and the emission deteriorates. For this reason, according to the present invention, when the gas fuel can be self-ignited, the auxiliary fuel is not injected, and the CO 2 emission can be suppressed.
第6の発明によれば、ガス燃料が複数方向に噴射される場合において、補助燃料噴射弁は、ガス燃料のすべての噴流に補助燃料が噴射されるように配置される。このため、本発明によれば、すべてのガス燃料の噴流に確実に自着火させることができ、未燃ガスの発生を抑制し、高効率且つ低エミッションを実現することができる。 According to the sixth aspect, when the gas fuel is injected in a plurality of directions, the auxiliary fuel injection valve is arranged so that the auxiliary fuel is injected into all the jets of the gas fuel. For this reason, according to the present invention, it is possible to surely ignite all jets of gaseous fuel, and to suppress the generation of unburned gas, thereby realizing high efficiency and low emission.
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.
[ハードウェア構成]
図1は、本発明の実施の形態の構成を説明するための図である。図1に示すように、本実施形態のガス燃料内燃機関10は、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。水素エンジン10は、内部にピストン12が配置されたシリンダブロック14と、シリンダブロック14に組み付けられたシリンダヘッド16を備えている。シリンダブロック14およびシリンダヘッド16の内壁とピストン12の上面とで囲まれる空間は、燃焼室18を形成している。尚、図1では一つの燃焼室18のみを示しているが、水素エンジン10は複数の燃焼室18を有する多気筒エンジンとして構成されている。
Embodiment 1 FIG.
[Hardware configuration]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the gas fuel
燃焼室18には、空気を燃焼室18内に導入するための吸気通路20が接続されている。吸気通路20の上流端にはエアクリーナ22が設けられ、空気はエアクリーナ22を介して吸気通路20内に取り込まれる。吸気通路20には燃焼室18へ吸入される空気量を調整するためのスロットル24が配置されている。吸気通路20のスロットル24の上流には、吸入空気量を測定するためのエアフロメータ26が取り付けられている。吸気通路20と燃焼室18との接続部には、吸気通路20と燃焼室18との連通状態を制御する吸気バルブ28が設けられている。
An
また、燃焼室18には燃焼室内の燃焼ガスを排出するための排気通路30が接続されている。排気通路30には浄化触媒32が配置され、排気ガスは浄化触媒32によって浄化されてから大気中に排出される。浄化触媒32の上流には、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ34が取り付けられている。排気通路30と燃焼室18との接続部には、排気通路30と燃焼室18との連通状態を制御する排気バルブ36が設けられている。
The
更に、燃焼室18内には筒内水素噴射弁40が配置されている。筒内水素噴射弁40は、水素供給管44を介して水素供給装置42に接続されている。水素供給装置42の具体例としては、水素を蓄えた水素タンク、炭化水素系燃料を改質して水素を生成する改質器、或いは、メタルハイドライド等の水素吸蔵手段を挙げることができる。本実施の形態の水素エンジンにおいては、水素供給装置42の種類には限定はない。水素供給管44には、筒内水素噴射弁40に水素を圧送するポンプ46が配置されている。ポンプ46は、圧縮TDC付近でも十分に噴射できる圧力まで水素を圧縮している。尚、水素供給装置42として高圧水素タンクを用いる場合であって、その貯蔵圧力が噴射圧よりも高い場合には、ポンプ46の代わりにレギュレータを用いてもよい。
Further, an in-cylinder
また、燃焼室18内には、筒内軽油噴射弁50が配置されている。筒内軽油噴射弁50は、軽油供給管52を介して図示しない軽油供給装置に接続されている。
An in-cylinder light
本実施の形態の水素エンジン10には、その制御装置として、ECU(Electronic Control Unit)70が備えられている。ECU70の出力部には、上述した筒内水素噴射弁40、筒内軽油噴射弁50、スロットル24等の種々の機器が接続されている。また、ECU70の入力部には、上述したエアフロメータ26、酸素センサ34の他、クランク角センサ54、水温センサ56等の種々のセンサ類が接続されている。ECU70は、各センサの出力に基づいて、所定の制御プログラムに従って各機器を駆動する。
The
[実施の形態1の動作]
(軽油噴射による水素自着火補助動作)
次に、本実施の形態1の動作について説明する。本実施の形態の水素エンジン10は、水素を主燃料、軽油を補助燃料として使用し、水素による混合気を軽油の自着火による火種により燃焼させることのできるエンジンである。
[Operation of Embodiment 1]
(Hydrogen self-ignition assist operation by light oil injection)
Next, the operation of the first embodiment will be described. The
水素を主燃料として自着火による燃焼を行うためには、筒内の水素混合気が燃焼開始タイミングにおいて、水素の自着火温度に到達するように圧縮される必要がある。ここで、水素の自着火温度は他の燃料に比して高い。このため、圧縮比の設定を高く(圧縮比18程度)する必要があり、機械損失による効率低下が懸念される。 In order to perform combustion by self-ignition using hydrogen as the main fuel, the hydrogen mixture in the cylinder needs to be compressed so as to reach the self-ignition temperature of hydrogen at the combustion start timing. Here, the self-ignition temperature of hydrogen is higher than that of other fuels. For this reason, it is necessary to set the compression ratio high (compression ratio of about 18), and there is a concern about efficiency reduction due to mechanical loss.
そこで、従来から、軽油を用いた着火補助手法が知られている。かかる手法においては、水素に加えて少量の軽油が筒内に噴射される。軽油は水素に比して自着火温度が低いため、容易に自着火させることができる。また、水素は可燃範囲が広いため、火種から容易に火炎が伝播する。したがって、ディーゼルエンジン並みの低圧縮比(圧縮比16程度)にて、水素を効果的に燃焼させることが可能となる。 Therefore, conventionally, an ignition assistance method using light oil is known. In this method, a small amount of light oil is injected into the cylinder in addition to hydrogen. Since light oil has a lower autoignition temperature than hydrogen, it can be easily ignited. In addition, since hydrogen has a wide flammable range, a flame easily propagates from the fire type. Therefore, hydrogen can be effectively burned at a low compression ratio (compression ratio of about 16) that is comparable to that of a diesel engine.
(軽油噴射タイミング決定動作)
当該水素エンジン10の燃焼形態は、予混合燃焼と拡散燃焼とから成り立っている。より具体的には、先ず、筒内水素噴射弁40から噴射された水素が燃焼室18内で空気と混合され、可燃混合気が生成される。燃焼室18内が圧縮され軽油の自着火温度に達している状態において、筒内軽油噴射弁50から少量の軽油が噴射されると、該軽油から自着火が起こり、火炎が可燃混合気に急速に伝播する予混合燃焼が行われる。次いで、予混合燃焼の後には、燃焼中の火炎に水素ガスが継続的に噴射されるので、水素が空気と拡散混合しながら燃焼する拡散燃焼が行われる。
(Light oil injection timing determination operation)
The combustion mode of the
ここで、水素の噴射期間Af(クランク角)は、水素エンジン10の機関回転数Ne、水素の噴射量Qf、および噴射圧Qpに基づいて決定される。そして、上記噴射期間Afおよび機関回転数Neに基づいて、水素の噴射開始クランク角θsHが決定される。より具体的には、θsHは噴射期間Afが大きいほど、また機関回転数Neが大きいほど進角側のクランク角とされる。
Here, the hydrogen injection period Af (crank angle) is determined based on the engine speed Ne of the
次いで、噴射期間Afおよび水素の噴射開始クランク角θsHに基づいて、軽油の噴射開始クランク角θsKが決定される。水素の噴射開始クランク角θsHに対して、軽油の噴射開始クランク角θsKが遅角側であるほど、予混合燃焼が開始されるまでの水素噴射期間が長期間となる。上述したとおり、拡散燃焼期間を長く設定することとすると、燃焼後期の燃焼圧が低下してしまうため、効率の低下の問題が顕著となる。このため、予混合燃焼までの噴射期間を大きくすることとすれば、その分拡散燃焼期間を短縮することが可能となる。 Next, the light oil injection start crank angle θsK is determined based on the injection period Af and the hydrogen injection start crank angle θsH. The hydrogen injection period until the premixed combustion is started becomes longer as the injection start crank angle θsK of light oil is retarded with respect to the hydrogen injection start crank angle θsH. As described above, if the diffusion combustion period is set to be long, the combustion pressure in the later stage of combustion is lowered, so that the problem of reduction in efficiency becomes significant. For this reason, if the injection period until the premixed combustion is increased, the diffusion combustion period can be shortened accordingly.
図2は、噴射開始クランク角θsHと軽油の噴射開始クランク角θsKとの間に成立する関係を示すマップである。図2のマップは、噴射期間Afが大きいほど、θsKがθsHよりも遅角側となる傾向を示している。したがって、かかるマップの傾向に従って、噴射開始クランク角θsHおよび噴射期間Afに対応する軽油の噴射開始クランク角θsKが特定されることにより、拡散燃焼の効率を向上させることができる。 FIG. 2 is a map showing the relationship established between the injection start crank angle θsH and the light oil injection start crank angle θsK. The map of FIG. 2 shows a tendency that θsK is on the retard side with respect to θsH as the injection period Af is longer. Therefore, the efficiency of diffusion combustion can be improved by specifying the injection start crank angle θsK of light oil corresponding to the injection start crank angle θsH and the injection period Af according to the trend of the map.
[実施の形態1における具体的処理]
次に、図3を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図3は、ECU70が水素エンジン10に水素ガスを供給するための処理を実行するルーチンのフローチャートである。
[Specific Processing in Embodiment 1]
Next, with reference to FIG. 3, the specific content of the process performed in this Embodiment is demonstrated. FIG. 3 is a flowchart of a routine in which the
図3に示すルーチンでは、先ず、水素エンジン10の運転条件および運転状態が入力される(ステップ100)。ここでは、具体的には、機関回転数Ne、噴射量Qf、噴射圧Qpが水素エンジン10における運転条件、或いは運転状態として入力される。
In the routine shown in FIG. 3, first, the operating conditions and operating state of the
次に、水素の噴射期間Afが算出される(ステップ102)。噴射期間Afは、水素噴射のクランク角期間である。ここでは、具体的には、上記ステップ100にて入力された機関回転数Ne、噴射量Qf、および噴射圧Qpに基づいて算出される。
Next, a hydrogen injection period Af is calculated (step 102). The injection period Af is a crank angle period of hydrogen injection. Specifically, the calculation is based on the engine speed Ne, the injection amount Qf, and the injection pressure Qp input in
次に、水素噴射開始クランク角θsHが算出される(ステップ104)。ここでは、具体的には、上記ステップ100にて入力された機関回転数Ne、および上記ステップ102にて算出された噴射期間Afに基づいて算出される。
Next, the hydrogen injection start crank angle θsH is calculated (step 104). Specifically, it is calculated based on the engine speed Ne input in
図3に示すルーチンにおいては、次に、軽油噴射開始クランク角θsKが決定される(ステップ106)。θsKは、上述した図2に示すマップに従い、上記ステップ102にて算出された噴射期間Af、および上記ステップ104にて算出された水素噴射開始クランク角θsHに基づいて決定される。次に、上記ステップ102にて算出された噴射期間Af、上記ステップ104にて算出された水素噴射開始クランク角θsH、および上記ステップ106にて算出された軽油噴射開始クランク角θsKに基づいて噴射制御が実行され(ステップ108)、本ルーチンは終了される。
In the routine shown in FIG. 3, next, the light oil injection start crank angle θsK is determined (step 106). θsK is determined based on the injection period Af calculated in
以上説明したとおり、本実施の形態1によれば、拡散燃焼期間が長くなりすぎないように、軽油噴射開始時期を調整することにより、予混合燃焼の開始時期を制御することができる。したがって、燃焼の最適化が図られることにより高効率での運転を行うことができる。 As described above, according to the first embodiment, the start timing of the premixed combustion can be controlled by adjusting the light oil injection start timing so that the diffusion combustion period does not become too long. Therefore, operation with high efficiency can be performed by optimizing combustion.
また、上述した実施の形態1によれば、軽油の自着火温度到達圧縮比は水素の自着火温度到達圧縮比よりも低いため、水素エンジン10の圧縮比を低圧縮比化することができる。これにより、筒内ガス温度が低温化されるので、NOXの生成を抑制し低エミッションを実現することができる。また、低圧縮比化により機械損失が低減され、熱効率を向上させることができる。
Moreover, according to Embodiment 1 mentioned above, since the self-ignition temperature reach | attainment compression ratio of light oil is lower than the self-ignition temperature attainment compression ratio of hydrogen, the compression ratio of the
ところで、上述した実施の形態1においては、ガス燃料内燃機関として水素エンジンを使用しているが、使用されるガス燃料内燃機関はこれに限られない。すなわち、水素ガス以外のガス燃料を利用するガス燃料内燃機関において、本実施の形態を実行することとしてもよい。この点は、以下に説明する他の実施の形態においても同様である。 By the way, in Embodiment 1 mentioned above, although the hydrogen engine is used as a gas fuel internal combustion engine, the gas fuel internal combustion engine used is not restricted to this. That is, this embodiment may be executed in a gas fuel internal combustion engine that uses a gas fuel other than hydrogen gas. This also applies to other embodiments described below.
また、上述した実施の形態1においては、補助燃料として軽油を使用することとしているが、使用される補助燃料はこれに限られない。すなわち、水素よりも自着火温度が低い燃料であれば、他の補助燃料を使用して本実施の形態を実行することとしてもよい。この点は、以下に説明する他の実施の形態においても同様である。 In Embodiment 1 described above, light oil is used as the auxiliary fuel, but the auxiliary fuel used is not limited to this. That is, as long as the self-ignition temperature is lower than that of hydrogen, the present embodiment may be executed using another auxiliary fuel. This also applies to other embodiments described below.
尚、上述した実施の形態1においては、筒内水素噴射弁40が前記第1の発明におけるガス燃料噴射弁に、筒内軽油噴射弁50が前記第1の発明における補助燃料噴射弁に、水素噴射開始クランク角θsHが前記第1の発明における「ガス燃料噴射開始時期」に、軽油噴射開始クランク角θsKが前記第1の発明における「補助燃料噴射開始時期」にそれぞれ相当している。
In the first embodiment described above, the in-cylinder
また、上述した実施の形態1においては、ECU70が、上記ステップ102の処理を実行することにより、前記第1の発明における「ガス燃料噴射期間算出手段」が、上記ステップ104の処理を実行することにより、前記第1の発明における「ガス燃料噴射開始時期算出手段」が、上記ステップ106の処理を実行することにより、前記第1の発明における「補助燃料噴射開始時期決定手段」が、それぞれ実現されている。
In the first embodiment described above, the
実施の形態2.
[実施の形態2の特徴]
次に、図4を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態のガス燃料内燃機関は、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU70に後述する図4に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
Embodiment 2. FIG.
[Features of Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The gas fuel internal combustion engine of the present embodiment can be realized by causing the
上述した実施の形態1では、自着火温度が低い軽油を筒内に少量噴射することにより、自着火した軽油を火種として水素を効果的に燃焼させ、機関の低圧縮比化を実現することとしている。 In the first embodiment described above, by injecting a small amount of light oil having a low self-ignition temperature into the cylinder, hydrogen is effectively combusted using the self-ignited light oil as a fire type, thereby realizing a low compression ratio of the engine. Yes.
しかしながら、軽油を燃焼させるとCO2が排出されるためエミッションが悪化する。このため、噴射される軽油の量は少ないほど好ましい。そこで、本実施の形態2においては、水素が特に自着火しにくい冷間時のみ、軽油の噴射による着火補助が行われることとする。より具体的には、水素エンジン10が暖機完了する前においては、燃焼室18内が水素自着火温度に到達せず、暖機完了後には到達する圧縮比設定とし、暖機完了前は軽油噴射による着火補助を行うこととする。これにより、水素が自着火可能な場合には軽油噴射が行われないため、CO2の排出量を抑制することができる。
However, when light oil is burned, CO 2 is discharged and the emission deteriorates. For this reason, the smaller the amount of light oil injected, the better. Therefore, in the second embodiment, only when cold is particularly difficult for hydrogen to self-ignite, ignition assistance is performed by light oil injection. More specifically, the compression ratio is set so that the
[実施の形態2における具体的処理]
次に、図4を参照して、本実施の形態2において実行する処理の具体的内容について説明する。図4は、ECU70が水素エンジン10に水素ガスを供給するための処理を実行するルーチンのフローチャートである。
[Specific Processing in Second Embodiment]
Next, with reference to FIG. 4, the specific content of the process performed in this Embodiment 2 is demonstrated. FIG. 4 is a flowchart of a routine in which the
図4に示すルーチンでは、先ず、水素エンジン10の運転条件および運転状態が入力される(ステップ200)。ここでは、具体的には、図3に示すステップ100の処理と同様の処理に加えて、水素エンジン10の水温Twが入力される。水温Twは、より具体的には、水温センサ56の出力信号に基づいて算出される。
In the routine shown in FIG. 4, first, the operating conditions and operating state of the
次に、水素の噴射期間Afが算出される(ステップ202)。次に、水素噴射開始クランク角θsHが算出される(ステップ204)。ここでは、具体的には、図3に示すステップ102乃至104と同様の処理が実行される。
Next, the hydrogen injection period Af is calculated (step 202). Next, the hydrogen injection start crank angle θsH is calculated (step 204). Here, specifically, the same processing as
図4に示すルーチンにおいては、次に、水温Twと所定値Tw0とが比較される(ステップ206)。所定値Tw0は、水素エンジン10が暖機完了したか否かを判定するための閾値である。ここでは、具体的には、上記ステップ200において入力された水温Twと閾値Tw0との大小が比較される。
In the routine shown in FIG. 4, the water temperature Tw is then compared with a predetermined value Tw0 (step 206). The predetermined value Tw0 is a threshold value for determining whether or not the
上記ステップ206において、Tw<Tw0の成立が認められた場合には、水素エンジン10が未だ暖機完了していないと判定され、軽油噴射開始クランク角θsKが決定される(ステップ208)。ここでは、具体的には、図3に示すステップ106と同様の処理が実行される。
If it is determined in
一方、上記ステップ206においてTw<Tw0の成立が認められない場合には、水素エンジン10が既に暖機完了していると判定され、軽油噴射が禁止される(ステップ210)。ここでは、具体的には、図3に示すステップ106と同様の処理が実行される。
On the other hand, if the establishment of Tw <Tw0 is not recognized in
次に、噴射制御が実行される(ステップ212)。ここでは、具体的には、上記ステップ208の後においては、上記ステップ202にて算出された噴射期間Af、上記ステップ204にて算出された水素噴射開始クランク角θsH、および上記ステップ208にて算出された軽油噴射開始クランク角θsKに基づいて、水素および軽油の噴射制御が実行され、本ルーチンは終了される。一方、上記ステップ210の後においては、軽油噴射が禁止されるため、上記ステップ202にて算出された噴射期間Af、および上記ステップ204にて算出された水素噴射開始クランク角θsHに基づいて、水素のみ噴射が実行され、本ルーチンは終了される。
Next, injection control is executed (step 212). Specifically, after
以上説明したとおり、本実施の形態2によれば、軽油噴射量が多くなりすぎないように、軽油噴射を行う期間を水素が特に自着火しにくい冷間時のみに限定することができる。これにより、水素が自着火可能な場合には軽油噴射が行われないため、CO2の排出量を抑制することができる。 As described above, according to the second embodiment, the period during which the light oil injection is performed can be limited only to the cold time during which hydrogen is difficult to self-ignite so that the light oil injection amount does not increase excessively. Thereby, when hydrogen can be self-ignited, since light oil injection is not performed, CO 2 emission can be suppressed.
ところで、上述した実施の形態2においては、水素エンジン10の暖機過程が完了したか否かの判断を水温Twに基づいて実行することとしているが、暖機完了の確認手法はこれに限られない。すなわち、エンジン始動からの経過時間により暖機完了を判定することとしてもよいし、他の公知の手法により判定することとしてもよい。
In the second embodiment described above, the determination as to whether or not the warm-up process of the
尚、上述した実施の形態2においては、筒内水素噴射弁40が前記第1の発明におけるガス燃料噴射弁に、筒内軽油噴射弁50が前記第1の発明における補助燃料噴射弁に、水素噴射開始クランク角θsHが前記第1の発明における「ガス燃料噴射開始時期」に、軽油噴射開始クランク角θsKが前記第1の発明における「補助燃料噴射開始時期」にそれぞれ相当している。
In the second embodiment described above, the in-cylinder
また、上述した実施の形態2においては、ECU70が、上記ステップ202の処理を実行することにより、前記第1の発明における「ガス燃料噴射期間算出手段」が、上記ステップ204の処理を実行することにより、前記第1の発明における「ガス燃料噴射開始時期算出手段」が、上記ステップ208の処理を実行することにより、前記第1の発明における「補助燃料噴射開始時期決定手段」が、それぞれ実現されている。
In the second embodiment described above, the
また、上述した実施の形態2においては、ECU70が、上記ステップ206の処理を実行することにより、前記第5の発明における「暖機完了確認手段」が、上記ステップ210の処理を実行することにより、前記第5の発明における「禁止手段」が、それぞれ実現されている。
In the second embodiment described above, the
実施の形態3.
[実施の形態3の特徴]
次に、図5を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態1と同じくガス燃料として水素を使用する水素エンジンであり、図1に示す水素エンジン10において、燃焼室18の周辺の構成を図5に拡大して示す構成に置き換えることで実現される。図5は、燃焼室18を上方から見た図である。図5において、図1に示す水素エンジン10と同一の部位については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略あるいは簡略化するものとする。
Embodiment 3 FIG.
[Features of Embodiment 3]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The gas fuel internal combustion engine of the present embodiment is a hydrogen engine that uses hydrogen as the gas fuel as in the first embodiment. In the
図5に示すとおり、本実施の形態の水素エンジン10は、図1に示す構成と同じく、燃焼室18に筒内水素噴射弁40と筒内軽油噴射弁50とを備えている。筒内水素噴射弁40は燃焼室18の頂部中央に配置され、筒内軽油噴射弁50は、筒内水素噴射弁40の直ぐそばにオフセットして配置されている。筒内水素噴射弁40は、4方向に向けて水素が噴射されるように4つの噴射口を有している。また、筒内軽油噴射弁50は、筒内水素噴射弁40から噴射される噴流に向けて軽油が噴射されるように4つの噴射口を有している。
As shown in FIG. 5, the
図5に示す構成によれば、筒内水素噴射弁40から噴射される水素の噴流と、筒内軽油噴射弁50から噴射される軽油の噴流とが干渉するように各噴射弁が配置されているので、少量の軽油の噴射により確実に水素の噴流に火炎を形成することができる。これにより、すべての水素の噴流が確実に燃焼するため、未燃水素の発生を効果的に抑制することができる。また、軽油の噴射量が低減されるため、CO2の排出を効果的に抑制することができる。
According to the configuration shown in FIG. 5, the injection valves are arranged such that the jet of hydrogen injected from the in-cylinder
ところで、上述した実施の形態3における筒内水素噴射弁40および筒内軽油噴射弁50の配置および噴射口の数等は、本実施の形態に示す構成に限られない。すなわち、筒内水素噴射弁40から噴射されるすべての水素噴流に、筒内軽油噴射弁50から噴射される軽油を確実に噴射できるのであれば、両噴射弁が隣接していなくてもよいし、また、噴射口の数も特に制限はない。
By the way, the arrangement of the in-cylinder
尚、上述した実施の形態3においては、筒内水素噴射弁40が前記第1の発明におけるガス燃料噴射弁に、筒内軽油噴射弁50が前記第1の発明における補助燃料噴射弁にそれぞれ相当している。
In the third embodiment described above, the in-cylinder
10 ガス燃料内燃機関(水素エンジン)
12 ピストン
14 シリンダブロック
16 シリンダヘッド
18 燃焼室
20 吸気通路
22 エアクリーナ
24 スロットル
26 エアフロメータ
28 吸気バルブ
30 排気通路
32 浄化触媒
34 酸素センサ
36 排気バルブ
40 筒内水素噴射弁
42 水素供給装置
44 水素供給管
46 ポンプ
50 筒内軽油噴射弁
52 軽油供給管
54 クランク角センサ
56 水温センサ
Af 噴射期間
Ne 機関回転数
Qf 噴射量
Qp 噴射圧
Tw 水温
θsH 水素噴射開始クランク角
θsK 軽油噴射開始クランク角
TDC(Top Dead Center) 上死点
10 Gas fuel internal combustion engine (hydrogen engine)
12
Af Injection period
Ne engine speed
Qf Injection amount
Qp Injection pressure
Tw Water temperature θsH Hydrogen injection start crank angle θsK Light oil injection start crank angle
TDC (Top Dead Center)
Claims (6)
ガス燃料を噴射するガス燃料噴射弁と、
自着火温度がガス燃料より低い補助燃料を噴射する補助燃料噴射弁と、
前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、ガス燃料の噴射期間を算出するガス燃料噴射期間算出手段と、
前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、ガス燃料の噴射開始時期を算出するガス燃料噴射開始時期算出手段と、
前記ガス燃料噴射期間と前記ガス燃料噴射開始時期とに基づいて、補助燃料の噴射開始時期を決定する補助燃料噴射開始時期決定手段と、
を備えることを特徴とするガス燃料内燃機関。 In a gas fuel internal combustion engine capable of compression ignition operation,
A gas fuel injection valve for injecting gas fuel;
An auxiliary fuel injection valve that injects auxiliary fuel having a self-ignition temperature lower than that of gas fuel;
Gas fuel injection period calculation means for calculating the injection period of gas fuel based on the operating condition / state of the internal combustion engine;
Gas fuel injection start timing calculating means for calculating the injection start timing of the gas fuel based on the operating condition / state of the internal combustion engine;
Auxiliary fuel injection start timing determining means for determining an auxiliary fuel injection start timing based on the gas fuel injection period and the gas fuel injection start timing;
A gas-fueled internal combustion engine comprising:
前記ガス燃料噴射期間が長いほど、前記補助燃料噴射開始時期が前記ガス燃料噴射開始時期よりも遅くなるように決定することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のガス燃料内燃機関。 The auxiliary fuel injection start timing determining means is
The gas fuel according to any one of claims 1 to 3, wherein the auxiliary fuel injection start timing is determined to be later than the gas fuel injection start timing as the gas fuel injection period is longer. Internal combustion engine.
前記暖機完了が確認された場合に、前記補助燃料の噴射を禁止する禁止手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のガス燃料内燃機関。 A warm-up completion confirmation means for confirming that the warm-up of the internal combustion engine is completed;
Prohibiting means for prohibiting the injection of the auxiliary fuel when the warm-up completion is confirmed;
The gas fuel internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
前記補助燃料噴射弁は、前記ガス燃料噴射弁の各噴射方向に補助燃料を噴射するように配置されることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載のガス燃料内燃機関。 The gas fuel injection valve is configured to be able to inject gas fuel in a plurality of directions,
The gas fuel internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the auxiliary fuel injection valve is disposed so as to inject auxiliary fuel in each injection direction of the gas fuel injection valve.
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