JP2008280944A - 過給機付き気体燃料エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】過給アシストを、小さなスペースに収納できる装置によって効果的に行えるようにする。
【解決手段】エンジン１の吸気系に対して、燃料噴射弁１０から気体燃料としての例えば水素が噴射される。圧縮状態で気体燃料を貯溜する燃料タンク１１と燃料噴射弁１０とを接続する燃料供給経路１２に対して、減圧用のレギュレータ１３が配設される。過給アシスト装置２０によって、排気ターボ式過給機５のタービンホイール５ｂ上流側の排気通路７に対して気体燃料が供給される。過給アシスト装置２０へのアシスト用燃料通路２１が、燃料供給経路１２のうち燃料タンク１１とレギュレータ１３との間から分岐されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体燃料を用いると共に、排気ターボ式過給機によって吸気の過給を行うようにした過給機付き気体燃料エンジンに関するものである。

エンジンの中には、排気通路に配設されたタービンホイールと、吸気通路に配設されてタービンホイールに連結されたコンプレッサホイールとを備えた排気ターボ式過給機によって、吸気を過給するものが多く存在する。この排気ターボ式過給機を備えたエンジンにあっては、排気エネルギを有効に活用できるという利点を有する反面、排気エネルギの小さい運転状態のときに、十分な過給圧が得られないという欠点を有する。このため、例えば低速・低負荷状態でアクセルを大きく踏み込んだ加速要求時に、過給圧が十分に大きくなるまでに時間を要してしまい（過渡応答性が悪い）、加速性を十分に満足させることが難しいものとなる。

排気ターボ式過給機の過渡応答性を高めるために、特許文献１には、タービンホイールの上流側の排気通路に対して加圧された空気を供給して、この加圧空気によってタービンホイールの回転を助長させることにより、すみやかに過給圧を上昇させようという技術（過給アシストの技術）が開示されている。

特開２００７−５６８５８号公報

前述した特許文献１に記載の技術では、排気通路に供給される加圧空気を得るための装置が大がかりとなり、設置スペースやコスト等の点から問題がある。特に、加圧空気の運動エネルギを利用したタービンホイールの回転助長となるので、十分な回転助長作用を得ようとすれば、極めて大きな圧力の加圧空気を生成する必要があり、このため加圧空気を生成する装置が極めて大がかりにならざるを得ないものとなる。このことは、特に設置スペースに余裕のない自動車用として用いる場合に大きな問題となる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、過給アシストを、小さなスペースに収納できる装置によって効果的に行えるようにした過給機付き気体燃料エンジンを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
圧縮状態で気体燃料を貯溜する燃料タンクと、
エンジンの吸気系に気体燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料タンク内の気体燃料を前記燃料噴射弁に供給するための燃料供給経路に配設され、該燃料タンク内の高圧の気体燃料を減圧して該燃料噴射弁に供給するレギュレータと、
エンジンの排気通路に配設されたタービンホイール、およびエンジンの吸気通路に配設されると共に該タービンホイールに連結されたコンプレッサホイールとを備え、吸気を過給する排気ターボ式過給機と、
前記タービンホイール上流側の排気通路に気体燃料を供給するための過給アシスト装置と、
前記燃料供給経路のうち前記燃料タンクとレギュレータとの間から分岐され、該燃料タンク内の気体燃料を前記過給アシスト装置へ供給するためのアシスト用燃料経路と、
を備えているようにしてある。

上記解決手法によれば、排気通路に気体燃料を供給することにより、排気通路で燃焼された気体燃料の大きな燃焼エネルギを利用して、タービンホイールを効果的に回転助長させて、すみやかに大きな過給圧を得ることができる（効果的な過給アシストの達成）。また、過給アシストのための気体燃料の供給経路は、エンジンの吸気系に燃料噴射する燃料噴射弁に対する圧力調整用となるレギュレータよりも上流側より分岐させているので、過給アシストを行っても、燃料噴射弁に供給される圧力になんら影響を与えることもなく、エンジンに供給される燃料噴射量に対して悪影響をなんら与えないものとなる。そして、過給アシストのためには、開閉弁や燃料噴射弁のような小型ですむ気体燃料供給装置からなる過給アシスト装置と、この過給アシスト装置に対する燃料供給経路とを配設するだけでよく、小さなスペースを有効に利用して組み込むことができる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２に記載のとおりである。すなわち、
前記過給アシスト装置が、排気通路のうち複数の気筒からの排気が集合される排気集合部に対して気体燃料を噴射するように設定されている、ようにしてある。この場合、排気通路のうち極力高温となる排気集合部分に気体燃料を供給することにより、気体燃料の確実な燃焼を確保して、確実な過給アシストを得る上で好ましいものとなる。

本発明によれば、過給アシストのための装置が占めるスペースを小さいものとしつつ、効果的な過給アシストを行うことができる。

図１において、１は、気体燃料としての水素を燃料として駆動されるエンジンであり、実施形態では直列４気筒の往復動型とされている。エンジン１に対する吸気の供給は、１本の共通吸気通路２から吸気マニホールド３を介して行われる。すなわち、吸気マニホールド２の集合部２ａに対して共通吸気通路２が接続されて、共通吸気通路２からの吸気が、吸気マニホールド３によって各気筒に分配される。共通吸気通路２には、吸気マニホールド３側から上流側に向けて順次、インタークーラ４，排気ターボ式過給機５のコンプレッサホイール５ａが配設されている。

一方、エンジン１の各気筒からの排気ガスは、排気マニホールド６から共通排気通路７を経て、大気に排出される。すなわち、排気マニホールド６の集合部６ａに共通排気通路７が接続されて、各気筒からの排気ガスが排気マニホールド６の集合部６ａで集合された後、共通排気通路７へと排出される。この共通排気通路７には、前述した排気ターボ式過給機５のタービンホイール５ｂが配設されている。このタービンホイール５ｂは、連結軸５ｃを介してコンプレッサホイール５ａと一体化されており、これにより、排気エネルギを受けてタービンホイール５ｂが回転されると、コンプレッサホイール５ａが回転されて、吸気の過給が行われることになる。

エンジン１に対する吸気系への気体燃料としての水素の供給は、燃料噴射弁１０によって行われる。この燃料噴射弁１０は、実施形態では、吸気マニホールド３の集合部３ａに対して水素を噴射するように設定されている。なお、吸気系のうち気体燃料が供給される部位としては、共通吸気通路２から各気筒に至るまでの適宜の部位を選択することができる。

気体燃料としての水素は、圧縮された高圧状態（例えば最大３５ＭＰａ）でもって燃料タンク１１に貯溜されている。この燃料タンク１１内の水素は、燃料供給経路１２を介して、燃料噴射弁１０に供給される。燃料供給経路１２には、レギュレータ１３が配設されている。レギュレータ１３は、燃料タンク１１内の高圧の水素を減圧して（例えば０．６ＰＭａまで減圧）燃料噴射弁１０に供給するためのものである。

排気マニホールド５の集合部５ａに対しては、過給アシスト装置２０によって、水素が適宜供給されるようになっている。この過給アシスト装置２０に対する水素供給のために、燃料供給経路１２から分岐された分岐供給経路２１が、過給アシスト装置２０に接続されている。この分岐供給経路２１は、燃料供給経路１２のうち、燃料タンク１１とレギュレータ１３との間から分岐されており、アシスト用燃料経路となるものである。

過給アシスト装置２０は、例えば電磁式の開閉弁を用いることができ、この他、吸気系に設けた燃料噴射弁１０と同様の構造の燃料噴射弁を用いることもできる。また、分岐供給経路２１には、減圧して水素を過給アシスト装置２０へ供給するためのレギュレータ２２が配設されている。このレギュレータ２２は、レギュレータ１３よりも減圧のレベルが低いものとされている（燃料噴射弁１０に供給される水素の圧力よりも、過給アシスト装置２０に供給される水素の圧力の方が高くなうように設定されている）。なお、レギュレータ２２を廃止した構造を採択してもよい。

過給アシスト装置２０による排気系への水素の供給は、過給アシストが必要とされる運転状況のときにのみ実行される。すなわち、例えば、過給応答性の悪くなる運転状態（例えば低速運転時で、特に低速・低負荷運転時）において加速要求があったときに、過給アシスト装置２０から排気マニホールド５の排気集合部５ａに対して水素が供給される。加速要求時であるか否かは、例えばアクセルの踏み込み量（あるいは踏み込み速度）をみることによって行うことができ、例えば、アクセルの踏み込み量（あるいは踏み込み速度）が所定量以上のときに、加速要求時であると判定することができる。

上述した排気集合部５ａへ水素が供給されることによって、高温となっている排気集合部５ａでもって水素が燃焼される。この水素の燃料による大きな燃焼エネルギが、各気筒から排出される排気ガスの有する排気エネルギと共にタービンホイール５ｂに供給され、タービンホイール５ｂの回転が助長（アシスト）されることになり、これにより大きな過給圧がすみやかに得られることになる（過給応答性の向上）。特に、供給される燃料が気体燃料であるため、点火プラグ等による点火を実行しないでも、排気ガスの有する高熱を受けて容易に着火、燃焼されるものであり、とりわけ水素は気体燃料の中でも極めて着火性に優れているので、過給アシストのための燃料として極めて好適である。

燃料噴射弁１０と過給アシスト装置２０との間にはレギュレータ１３が介在されており、レギュレータ１３と燃料噴射弁１０との間の圧力が一定に保たれているため、過給アシスト装置２０からの水素供給によって、燃料噴射弁１０からの燃料噴射量に変動を及ぼすような悪影響が確実に防止されることになる。また、過給アシスト装置２０による排気系への水素噴射の影響を、燃料噴射弁１０に対して及ぼさないようにする上では、分岐供給経路２１にもレギュレータ２２を設けておくことが好ましいものである。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。エンジン１は、直噴式エンジン（各気筒に直接気体燃料を噴射する形式のエンジン）であってもよく、またロータリピストンエンジンであってもよい。排気系に気体燃料を供給する部位は、タービンホイール５ｂの上流側であれば適宜の部位を選択できる。排気系へ気体燃料の供給量は、一定量に設定してもよいが、加速要求のレベルに応じて変更することもできる。例えば、加速要求のレベルが高いほど、排気系に供給する気体燃料量を増大させるようにすることができ、このようにすることによって、加速要求のレベルに応じた適切な過給アシストを得ることができる。気体燃料としては、水素に限らず、例えば天然ガス等、適宜の気体燃料を用いることができる。また、エンジン１は、自動車用や船舶用等、エンジン負荷が頻繁にかつ大きく変動される乗り物に用いて好ましいものであるが、この他、例えばコジェネレーションシステムのような地上設置式として用いることもでき、その用途（使用分野）は特に限定されないものである。

排気経路が互いに並列に複数に分かれていて（例えば６気筒エンジンで、それぞれ３気筒分の排気ガスが流れる互いに並列な２つの排気通路に分かれている場合）、各排気通路にそれぞれ排気ターボ式過給機を備えたものであってよく、この場合は、各排気ターボ式過給機の上流側の各排気通路に気体燃料を供給して過給アシストを行うようにすればよい。複数の排気通路（複数の排気ターボ式過給機）を有する場合に、過給アシスト装置２０を各排気通路毎に設けるようにしてもよいが、過給アシスト装置２０を１つのみとすることもできる（１つの過給アシスト装置２０から、複数の排気通路に気体燃料を分配供給されるように設定すればよい）。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明の一実施形態を示す全体系統図。

符号の説明

１：エンジン
２：共通吸気通路
３：吸気マニホールド
５：排気ターボ式過給機
５ａ：コンプレッサホイール
５ｂ：タービンホイール
５ｃ：連結軸
６：排気マニホールド
６ａ：排気集合部
７：共通排気通路
１０：燃料噴射弁
１１：燃料タンク
１２：燃料供給経路
１３：レギュレータ
２０：過給アシスト装置
２１：分岐供給経路（アシスト用燃料経路）

Claims (2)

1. 圧縮状態で気体燃料を貯溜する燃料タンクと、
   エンジンの吸気系に気体燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料タンク内の気体燃料を前記燃料噴射弁に供給するための燃料供給経路に配設され、該燃料タンク内の高圧の気体燃料を減圧して該燃料噴射弁に供給するレギュレータと、
   エンジンの排気通路に配設されたタービンホイール、およびエンジンの吸気通路に配設されると共に該タービンホイールに連結されたコンプレッサホイールとを備え、吸気を過給する排気ターボ式過給機と、
   前記タービンホイール上流側の排気通路に気体燃料を供給するための過給アシスト装置と、
   前記燃料供給経路のうち前記燃料タンクとレギュレータとの間から分岐され、該燃料タンク内の気体燃料を前記過給アシスト装置へ供給するためのアシスト用燃料経路と、
   を備えていることを特徴とする過給機付き気体燃料エンジン。
2. 請求項１において、
   前記過給アシスト装置が、排気通路のうち複数の気筒からの排気が集合される排気集合部に対して気体燃料を噴射するように設定されている、ことを特徴とする過給機付き気体燃料エンジン。

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