JP2008291726A

JP2008291726A - Six cycle engine

Info

Publication number: JP2008291726A
Application number: JP2007137549A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Morimoto; 一彦森本; Chitose Morimoto; 千歳森本
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2008-12-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide NOx reduction effect by enabling formation of homogeneous air fuel mixture which it was especially difficult to materialize during conventional lean air fuel mixture combustion, and maintaining stable combustion of lean air fuel mixture in a six cycle engine injecting hydrogen directly into a combustion chamber. <P>SOLUTION: The six cycle engine of which operation cycle comprises an intake stroke, a compression stroke, a combustion stroke, an exhaust stroke, a cooled intake stroke, and a cooled exhaust stroke, is provided with an injection control means controlling a fuel injection means to inject hydrogen directly to the combustion chamber according to engine load. The injection control means controls the fuel injection means to executes injection comprising pre-injection of a little injection quantity executed in the intake stroke and main-injection executed in the compression stroke. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は６サイクルエンジンに係り、特に、燃料を直接燃焼室に噴射するレシプロエンジンの燃料に水素を用い、最適な運転を可能とする６サイクルエンジンに関する。 The present invention relates to a six-cycle engine, and more particularly, to a six-cycle engine that uses hydrogen as a fuel for a reciprocating engine that directly injects fuel into a combustion chamber and enables optimum operation.

車両の動力源であるエンジンには、燃料としてガソリンや軽油以外に、水素を燃料とするものがある。水素を燃料とするエンジンには、低出力運転時には水素と空気を予め混合して生成した予混合気を点火栓により着火燃焼させて出力を得て、高出力運転時には既に着火した予混合気中に水素を噴射して予混合気を火種として着火燃焼させて出力を得るものがある。
特開平７−１３３７３１号公報 Some engines, which are power sources for vehicles, use hydrogen as fuel in addition to gasoline and light oil. For engines that use hydrogen as fuel, premixed gas generated by premixing hydrogen and air during low-power operation is ignited and burned by a spark plug to obtain output. In some cases, hydrogen is injected to ignite and burn the premixed gas as a fire to obtain an output.
Japanese Patent Laid-Open No. 7-133731

また、水素を燃料とし、予混合気を吸気するエンジンでは、負荷が高くなると、燃焼室内の温度が上がって過早着火が起こりやすくなり、吸気行程中に吸気管側へ逆火するバックファイヤを起こす問題がある。そのため、水素を燃料とするエンジンには、吸気、圧縮、燃焼、排気行程の４サイクルに、冷却吸気行程、冷却排気行程からなる２サイクルを加えて、動作サイクルを６サイクルとしたエンジンがある。
特開平４−３２５７２３号公報特開平６−２５５８号公報特許第２９１８４０３号公報 Also, in an engine that uses hydrogen as fuel and intakes a premixed gas, when the load increases, the temperature in the combustion chamber rises and pre-ignition tends to occur, and backfire that backfires to the intake pipe side during the intake stroke is performed. There is a problem to cause. Therefore, an engine using hydrogen as a fuel includes an engine in which two cycles including a cooling intake stroke and a cooling exhaust stroke are added to four cycles of intake, compression, combustion, and exhaust stroke, and the operation cycle is six.
JP-A-4-325723 JP-A-6-2558 Japanese Patent No. 2918403

さらに、水素を燃料とする６サイクルエンジンには、動作サイクルを６サイクルとしながら、吸気管側に水素が残らないように、水素を燃焼室内に直接噴射することでバックファイヤを防止するものがある。
特開２０００−１７０５５９号公報特開２００１−３３６４３５号公報 Furthermore, some 6-cycle engines fueled with hydrogen prevent backfire by directly injecting hydrogen into the combustion chamber so that no hydrogen remains on the intake pipe side while the operation cycle is 6 cycles. .
JP 2000-170559 A JP 2001-336435 A

ところで、従来の水素を燃料とするエンジンにおいては、バックファイヤを防止するために、前記特許文献５及び６のように、水素を燃焼室へ直接噴射するエンジンが研究されている。
ところが、水素を燃焼室へ直接噴射するエンジンは、吸気弁閉止後の噴射になり、空気との混合状態が必ずしも良好でなく、燃焼室内において均一な混合気を得ることができない問題がある。
そのため、水素を燃焼室へ直接噴射するエンジンは、燃焼成生物のＮＯｘ低減のためのリーンバーン（希薄混合気燃焼）が不確実な燃焼となり、安定した燃焼維持および充分なＮＯｘ低減効果が得られるリーンバーンの実現が困難な問題がある。 By the way, in the conventional engine using hydrogen as a fuel, an engine that directly injects hydrogen into a combustion chamber has been studied as described in Patent Documents 5 and 6 in order to prevent backfire.
However, an engine that directly injects hydrogen into the combustion chamber is an injection after the intake valve is closed, and the mixing state with air is not necessarily good, and there is a problem that a uniform air-fuel mixture cannot be obtained in the combustion chamber.
Therefore, in an engine that directly injects hydrogen into the combustion chamber, lean burn (lean mixture combustion) for reducing NOx of combustion products becomes uncertain combustion, and stable combustion maintenance and sufficient NOx reduction effect can be obtained. There is a problem that it is difficult to realize lean burn.

この発明は、６サイクルエンジンにおいて、水素を直接燃焼室に噴射するエンジンにおいて、従来希薄混合気燃焼時に特に困難であった均一な混合気の生成を可能とし、希薄混合気の安定した燃焼を維持してＮＯｘの低減効果を得ることを目的とする。 This invention makes it possible to generate a uniform mixture that has been particularly difficult in the case of lean mixture combustion in an engine that directly injects hydrogen into a combustion chamber in a six-cycle engine, and maintains stable combustion of the lean mixture. Thus, an object is to obtain a NOx reduction effect.

この発明は、エンジンの動作サイクルが、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、冷却吸気行程、冷却排気行程からなる６サイクルエンジンにおいて、エンジン負荷量に応じて、水素を直接燃焼室に噴射するように燃料噴射手段を制御する噴射制御手段を備え、前記噴射制御手段は、吸気行程で実施される少量の噴射量によるプレ噴射と、圧縮行程で実施されるメイン噴射とから構成される噴射を行うように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする。 According to the present invention, in a six-cycle engine in which an engine operation cycle includes an intake stroke, a compression stroke, a combustion stroke, an exhaust stroke, a cooling intake stroke, and a cooling exhaust stroke, hydrogen is directly injected into the combustion chamber according to the engine load. Injection control means for controlling the fuel injection means so that the injection control means is composed of pre-injection with a small amount of injection performed in the intake stroke and main injection performed in the compression stroke The fuel injection means is controlled to perform the following.

この発明の６サイクルエンジンは、水素を直接燃焼室に噴射するエンジンにおいて、従来希薄混合気燃焼時に特に困難であった均一な混合気の生成が可能となり、希薄混合気の安定した燃焼を維持してＮＯｘの低減効果を得ることができる。 The six-cycle engine of the present invention can generate a uniform air-fuel mixture, which has been particularly difficult in the case of lean-air mixture combustion in an engine that directly injects hydrogen into the combustion chamber, and maintains stable combustion of the lean air-fuel mixture. Thus, the NOx reduction effect can be obtained.

以下図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１〜図５は、この発明の実施例を示すものである。図１は６サイクルエンジンのシステム構成図、図２は直接噴射のサイクル図、図３はバルブタイミング及び噴射タイミングを示す図、図４はエンジン負荷及びエンジン回転数により設定した負荷量域の空気過剰率を示す図、図５はバルブタイミングの変形例を示す図である。
図１において、１は６サイクルエンジン、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５はコネクティングロッド、６はクランク軸、７は燃焼室である。６サイクルエンジン１は、シリンダヘッド３に燃焼室７に連通する吸気ポート８と排気ポート９とを設け、吸気ポート８と排気ポート９とを夫々開閉する吸気弁１０と排気弁１１とを設けている。シリンダヘッド３には、吸気管１２を接続して吸気ポート８に吸気通路１３を連通し、排気管１４を接続して排気ポート９に排気通路１５を連通している。
６サイクルエンジン１は、シリンダヘッド３に、クランク軸６に同期して回転する吸気カム軸１６と排気カム軸１７とを軸支している。吸気カム軸１６は、吸気カム１８により吸気弁１０を開閉駆動する。排気カム軸１７は、排気カム１９により排気弁１１を開閉駆動する。吸気カム軸１６は、吸気弁可変動弁機構２０を備えている。吸気弁可変動弁機構２０は、クランク軸６に対する吸気カム軸１６の位相を変化させて、吸気弁１０の開閉時期を変更する。排気カム軸１７は、排気弁可変動弁機構２１を備えている。排気弁可変動弁機構２１は、クランク軸６に対する排気カム軸１７の位相を変化させて、排気弁１１の開閉時期を変更する 1 to 5 show an embodiment of the present invention. 1 is a system configuration diagram of a 6-cycle engine, FIG. 2 is a cycle diagram of direct injection, FIG. 3 is a diagram showing valve timing and injection timing, and FIG. 4 is an excess air in a load range set by engine load and engine speed. FIG. 5 is a diagram showing a variation of the valve timing.
In FIG. 1, 1 is a 6-cycle engine, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a connecting rod, 6 is a crankshaft, and 7 is a combustion chamber. The 6-cycle engine 1 is provided with an intake port 8 and an exhaust port 9 that communicate with the combustion chamber 7 in the cylinder head 3, and an intake valve 10 and an exhaust valve 11 that open and close the intake port 8 and the exhaust port 9, respectively. Yes. An intake pipe 12 is connected to the cylinder head 3 to connect an intake passage 13 to the intake port 8, and an exhaust pipe 14 is connected to connect the exhaust passage 15 to the exhaust port 9.
In the six-cycle engine 1, an intake cam shaft 16 and an exhaust cam shaft 17 that rotate in synchronization with the crankshaft 6 are pivotally supported on the cylinder head 3. The intake camshaft 16 drives the intake valve 10 to open and close by the intake cam 18. The exhaust cam shaft 17 drives the exhaust valve 11 to open and close by the exhaust cam 19. The intake camshaft 16 includes an intake valve variable valve mechanism 20. The intake valve variable valve mechanism 20 changes the opening / closing timing of the intake valve 10 by changing the phase of the intake camshaft 16 with respect to the crankshaft 6. The exhaust camshaft 17 includes an exhaust valve variable valve mechanism 21. The exhaust valve variable valve mechanism 21 changes the phase of the exhaust camshaft 17 with respect to the crankshaft 6 to change the opening / closing timing of the exhaust valve 11.

この６サイクルエンジン１は、シリンダヘッド３に燃料噴射手段であるインジェクタ２２を設けている。インジェクタ２２は、燃料である水素を燃焼室７に直接噴射する。燃料の水素は、燃料タンクに高圧状態で貯蔵し、レギュレータ（調圧弁）で所定圧力により調整してインジェクタ２２から燃焼室７内のピストン４に向かって噴射する。６サイクルエンジン１は、シリンダヘッド３に点火手段である点火プラグ２３を取り付けている。点火プラグ２３は、イグニションコイル２４により飛び火し、燃焼室７の混合気に点火する。
また、６サイクルエンジン１は、排気ガスを再循環する排気ガス再循環手段として、排気通路１５に上流側端を開口し、下流側端を吸気通路１３に開口する排気ガス再循環通路２５を設け、この排気ガス再循環通路２５の途中に排気ガスの再循環量（ＥＧＲ量）を制御する排気ガス再循環制御弁（ＥＧＲ量制御弁）２６を設けている。さらに、６サイクルエンジン１は、過給手段として過給機２７を備えている。この過給機２７は、排気ガスにより駆動して吸気を圧送するターボチャージャ式である。
この６サイクルエンジン１は、エンジンの動作サイクルが、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、冷却吸気行程、冷却排気行程からなり、吸気行程において吸入空気を燃焼室７に吸気し、圧縮行程において水素と吸入空気との混合気を圧縮し、圧縮行程終期に点火プラグ２３により着火した混合気を燃焼行程において燃焼し、排気行程において排気ガスを排出し、冷却吸気行程において吸入空気を燃焼室７に吸気して冷却し、冷却排気行程において燃焼室７を冷却した排気ガスを排出する。 In the six-cycle engine 1, an injector 22 that is a fuel injection unit is provided in the cylinder head 3. The injector 22 directly injects hydrogen as fuel into the combustion chamber 7. The hydrogen of the fuel is stored in a fuel tank in a high pressure state, and is adjusted by a regulator (pressure regulating valve) with a predetermined pressure and injected from the injector 22 toward the piston 4 in the combustion chamber 7. In the six-cycle engine 1, a spark plug 23 as an ignition means is attached to the cylinder head 3. The spark plug 23 ignites by the ignition coil 24 and ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber 7.
Further, the 6-cycle engine 1 is provided with an exhaust gas recirculation passage 25 having an upstream end opened in the exhaust passage 15 and an downstream end opened in the intake passage 13 as exhaust gas recirculation means for recirculating the exhaust gas. An exhaust gas recirculation control valve (EGR amount control valve) 26 for controlling the exhaust gas recirculation amount (EGR amount) is provided in the middle of the exhaust gas recirculation passage 25. Furthermore, the 6-cycle engine 1 includes a supercharger 27 as supercharging means. The supercharger 27 is a turbocharger type that is driven by exhaust gas and pumps intake air.
In the six-cycle engine 1, the engine operation cycle includes an intake stroke, a compression stroke, a combustion stroke, an exhaust stroke, a cooling intake stroke, and a cooling exhaust stroke. In the intake stroke, intake air is sucked into the combustion chamber 7 and the compression stroke is performed. , The air-fuel mixture ignited by the spark plug 23 at the end of the compression stroke is combusted in the combustion stroke, exhaust gas is discharged in the exhaust stroke, and the intake air is discharged in the combustion chamber in the cooling intake stroke. 7 is sucked and cooled, and exhaust gas that has cooled the combustion chamber 7 in the cooling exhaust stroke is discharged.

この６サイクルエンジン１は、制御装置２８によって運転状態を制御される。制御装置２８には、前記吸気弁可変動弁機構２０と排気弁可変動弁機構２１とインジェクタ２２とイグニションコイル２４と排気ガス再循環制御弁２６とを接続し、また、エンジン負荷量を算出するためのエンジン運転状態を示す情報（例えば、吸気圧、吸気流量、吸気温度、エンジン回転速度、アクセル開度等）を入力する運転状態情報入力手段２９を接続している。制御装置２８は、噴射制御手段３０と吸気弁制御手段３１と排気弁制御手段３２と排気ガス再循環制御手段３３とを備えている。
前記噴射制御手段３０は、エンジン負荷量に応じて、水素を直接燃焼室７に噴射するように燃料噴射手段であるインジェクタ２２を制御する。また、噴射制御手段３０は、吸気行程で実施される少量の噴射量によるプレ噴射と、圧縮行程で実施されるメイン噴射とから構成される噴射を行うように、インジェクタ２２を制御する。さらに、噴射制御手段３０は、希薄燃焼にて、少なくとも一部の負荷領域が運転されるようにインジェクタ２２を制御する。
前記吸気弁制御手段３１は、エンジン負荷量に応じて吸気弁１０の開度を吸気弁可変動弁機構２０により制御する。前記排気弁制御手段３２は、排気行程における排気弁１１の閉止時期を早くするように排気弁１１の開度を排気弁可変動弁機構２１により制御する。
排気ガス再循環制御手段３３は、排気行程時、及び冷却排気行程時に排気通路１５に排出される排気ガスを吸気通路１３に再循環するように排気ガス再循環手段の排気ガス再循環制御弁２６を制御する。 The operation state of the six-cycle engine 1 is controlled by the control device 28. The control device 28 is connected to the intake valve variable valve mechanism 20, the exhaust valve variable valve mechanism 21, the injector 22, the ignition coil 24, and the exhaust gas recirculation control valve 26, and calculates the engine load. The operation state information input means 29 for inputting information (for example, intake pressure, intake flow rate, intake air temperature, engine speed, accelerator opening, etc.) indicating the engine operation state is connected. The control device 28 includes an injection control means 30, an intake valve control means 31, an exhaust valve control means 32, and an exhaust gas recirculation control means 33.
The injection control means 30 controls the injector 22 which is a fuel injection means so as to inject hydrogen directly into the combustion chamber 7 in accordance with the engine load. Further, the injection control means 30 controls the injector 22 so as to perform injection composed of pre-injection with a small amount of injection performed in the intake stroke and main injection performed in the compression stroke. Further, the injection control means 30 controls the injector 22 so that at least a part of the load region is operated by lean combustion.
The intake valve control means 31 controls the opening degree of the intake valve 10 by the intake valve variable valve mechanism 20 according to the engine load. The exhaust valve control means 32 controls the opening degree of the exhaust valve 11 by the exhaust valve variable valve mechanism 21 so that the closing timing of the exhaust valve 11 in the exhaust stroke is advanced.
The exhaust gas recirculation control means 33 is configured to recirculate the exhaust gas discharged to the exhaust passage 15 during the exhaust stroke and during the cooling exhaust stroke to the intake passage 13. To control.

次に作用を説明する。
６サイクルエンジン１は、図２・図３に示すように、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、冷却吸気行程、冷却排気行程の動作サイクルを有している。６サイクルエンジン１においては、１気筒あたりの１爆発が受け持つ回転角が１０８０゜（３回転）となり、２のｎ乗気筒（ｎは自然数）の場合、爆発が同一点にならないように等間隔爆発を実現でき、バランスがよく、結果クランク軸６のバランスウェイトを小さくでき、振動も少ないなどの利点があり、効率が向上する。
この６サイクルエンジン１は、制御装置２８の吸気弁制御手段３１及び排気弁制御手段３２によりエンジン負荷量に応じて、吸気弁１０及び排気弁１１の開度を制御し、噴射制御手段３０によりエンジン負荷量に応じて、水素を直接燃焼室７に噴射するようにインジェクタ２２を制御する。
水素を直接燃焼室に噴射するのは、吸気管内への逆火すなわちバックファイヤを防止したいがためである。しかしながら、水素を直接燃焼室へ噴射するエンジンは、高負荷運転になると、燃焼室壁面にヒートポイント（通常、ヒートポイントは、燃焼生成物によるデポジットであったり、ピストンのバルブリセス加工やシリンダヘッドのバルブシート部加工のエッジ部であることが多い）があると、水素の噴射中でも着火する可能性が高い。これを過早着火（プレイグニッション）と言い、場合によってはピストンクラウンを溶損・破壊することもある。
この現象は、水素の性質によるところが大きい。水素の自発火温度は５７２℃で、いわゆるディーゼル着火はできない。しかし、０．０２ｍＪという僅かな点火エルギーでも着火するので「火種＝ヒートポイント」には注意が必要である。つまり、水素は、雰囲気温度では発火しにくいが、着火はしやすい性質がある。
以上の理由から、この６サイクルエンジンは、筒内冷却サイクルの冷却吸気行程、冷却排気行程を追加することにより、最も回避したいプレイグニッションを防止することができる。
このように、この６サイクルエンジン１は、通常の排気行程の後に、単純に空気を吸い込んでそのまま排出する冷却吸気行程、冷却排気行程を増やすことにより、燃焼室７内の温度が下がり、発火の原因となる燃焼室７内のヒートポイントが冷却行程により冷やされ、吸気行程中に燃料の水素に着火することがなくり、バックファイヤを防止することができる。 Next, the operation will be described.
As shown in FIGS. 2 and 3, the 6-cycle engine 1 has operation cycles of an intake stroke, a compression stroke, a combustion stroke, an exhaust stroke, a cooling intake stroke, and a cooling exhaust stroke. In the 6-cycle engine 1, the rotation angle of one explosion per cylinder is 1080 ° (3 rotations), and in the case of 2 n cylinders (n is a natural number), the explosions are equally spaced so that the explosions do not become the same point. And the balance is good. As a result, the balance weight of the crankshaft 6 can be reduced, and the vibration is reduced. This improves the efficiency.
This six-cycle engine 1 controls the opening degree of the intake valve 10 and the exhaust valve 11 according to the engine load amount by the intake valve control means 31 and the exhaust valve control means 32 of the control device 28, and the engine by the injection control means 30. The injector 22 is controlled so as to inject hydrogen directly into the combustion chamber 7 in accordance with the load amount.
The reason for injecting hydrogen directly into the combustion chamber is to prevent backfire or backfire into the intake pipe. However, when the engine that directly injects hydrogen into the combustion chamber is operated at a high load, a heat point on the combustion chamber wall (usually, the heat point is a deposit due to combustion products, valve recess processing of the piston, and valve of the cylinder head) If there is often an edge portion of the sheet processing, there is a high possibility of ignition even during hydrogen injection. This is called pre-ignition, and in some cases, the piston crown may be melted and destroyed.
This phenomenon is largely due to the nature of hydrogen. The self-ignition temperature of hydrogen is 572 ° C., so-called diesel ignition cannot be performed. However, since a small ignition energy of 0.02 mJ is ignited, attention should be paid to “fire type = heat point”. In other words, hydrogen is difficult to ignite at ambient temperature, but is easy to ignite.
For the above reasons, this 6-cycle engine can prevent preignition that is most desired to be avoided by adding a cooling intake stroke and a cooling exhaust stroke of the in-cylinder cooling cycle.
Thus, after the normal exhaust stroke, the 6-cycle engine 1 simply increases the cooling intake stroke and the cooling exhaust stroke in which the air is sucked and discharged as it is, thereby lowering the temperature in the combustion chamber 7 and causing ignition. The heat point in the combustion chamber 7 that is the cause is cooled by the cooling stroke, so that the hydrogen of the fuel is not ignited during the intake stroke, and backfire can be prevented.

水素は、インジェクタ２２から直接燃焼室７に噴射され、燃焼室７内において空気と混合される。水素を直接燃焼室７に噴射する場合には、軽い水素では吸気弁１０閉止後から点火までの間に均一な混合気を生成することが、リーンになるほど困難になる。
水素を直接燃焼室へ噴射するエンジンは、燃焼室内での均一な混合気の生成（特にリーン化時）に難がある。これは、吸気弁の閉止後はスワール、タンブルの類がその効果を極端に落としてしまうからである。さらに、比重の軽い水素ガスは、いくら高圧噴射しても貫通力に乏しく、混合気生成が進みにくいからである。
このようなことから、水素を直接燃焼室に噴射する場合には、吸気弁が開いている吸気中に僅か（体積比４％未満…燃焼可能濃度４〜７５％）に水素を噴射（プレ噴射）して混入させて、吸気弁閉止後の本噴射（メイン噴射）の前にある程度の混合気を作っておくことで、燃焼室内での均一な混合気の生成に効果がある。
そこで、この６サイクルエンジン１は、噴射制御手段３０によって、図２・図３に示すように、吸気行程で実施される少量の噴射量によるプレ噴射と、圧縮行程で実施されるメイン噴射とから構成される噴射を行うように、インジェクタ２２を制御する。プレ噴射の噴射タイミングは、吸気行程における排気弁１１の閉止直後から吸気弁１０の閉止時までである。メイン噴射の噴射タイミングは、圧縮行程における吸気弁１０の閉止時から点火プラグ２３による着火前までである。
これにより、この６サイクルエンジン１は、水素を直接燃焼室７に噴射するエンジンにおいて、吸気行程においてプレ噴射により可燃範囲以下で燃焼室７の空気に小量の水素を混入させ、圧縮行程において行われるメイン噴射と合わせることで、従来希薄混合気燃焼時に特に困難であった均一な混合気の生成を可能とし、リーン化することによる混合気の不均一を最小限に止めて悪影響を抑制することができる。 Hydrogen is injected directly from the injector 22 into the combustion chamber 7 and mixed with air in the combustion chamber 7. In the case of injecting hydrogen directly into the combustion chamber 7, it becomes difficult for light hydrogen to produce a uniform air-fuel mixture after the intake valve 10 is closed until ignition.
An engine that directly injects hydrogen into a combustion chamber has difficulty in generating a uniform air-fuel mixture in the combustion chamber (particularly during leaning). This is because after the intake valve is closed, the effects of swirl and tumble extremely reduce the effect. Furthermore, hydrogen gas having a low specific gravity is poor in penetrating force no matter how high-pressure injection is performed, and mixture generation is difficult to proceed.
For this reason, when hydrogen is directly injected into the combustion chamber, hydrogen is injected slightly (less than 4% volume ratio ... combustible concentration 4 to 75%) into the intake air in which the intake valve is open (pre-injection). ) And mixed to create a certain amount of air-fuel mixture before main injection (main injection) after the intake valve is closed, which is effective in generating a uniform air-fuel mixture in the combustion chamber.
Therefore, in the six-cycle engine 1, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, the injection control means 30 performs pre-injection with a small amount of injection performed in the intake stroke and main injection performed in the compression stroke. The injector 22 is controlled to perform the configured injection. The injection timing of the pre-injection is from immediately after the exhaust valve 11 is closed to the time when the intake valve 10 is closed in the intake stroke. The injection timing of the main injection is from when the intake valve 10 is closed to before ignition by the spark plug 23 in the compression stroke.
As a result, this 6-cycle engine 1 is an engine that directly injects hydrogen into the combustion chamber 7. In the intake stroke, pre-injection causes a small amount of hydrogen to be mixed into the air in the combustion chamber 7 below the flammable range. This makes it possible to generate a uniform air-fuel mixture that has been particularly difficult in the case of lean air-fuel mixture combustion, and minimizes the non-uniformity of the air-fuel mixture due to leaning to suppress adverse effects. Can do.

水素を燃料とするエンジンの場合は、燃焼成生物は水と空気中の酸素と窒素が反応してできるＮＯｘ、および潤滑油が燃焼した結果の極めて僅かな（ほぼ無視できる）ＣＯ、ＣＯ２、ＨＣなどである。ＮＯｘについては、水素の燃焼状態が良ければ良いほど高濃度で発生するので、ＮＯｘ吸蔵触媒を使用する必要がある。したがって、水素を燃料とするエンジンの場合は、リーン状態で運転を可能にすれば、ＮＯｘの発生を抑制することができ、触媒レスとすることができる。
この６サイクルエンジン１は、エンジン負荷量に応じて、水素を噴射するインジェクタ２２を備え、噴射制御手段３０によって、希薄燃焼にて、少なくとも一部の負荷領域が運転されるようにインジェクタ２２を制御する。噴射制御手段３０には、図４に示すように、空気過剰率（λ）＝１．０（理論混合比）とすると、低負荷領域ではλ＝２．５〜３．０以上の超希薄混合気運転、中負荷領域ではλ＝１．５〜２．０程度の薄混合気運転、高負荷領域ではλ＝１．０または０．７程度までの濃混合気運転とする。
これにより、この６サイクルエンジン１は、有害排出成分であるＮＯｘを限りなく減少させることが可能である。この６サイクルエンジン１は、燃料を水素にすることにより、燃焼生成物は基本的に水とＮＯｘのみとなり、可燃範囲の広い（４〜７５％）水素で超希薄混合気（リーンバーン）運転をすることで、「触媒なし」が可能になるので、内燃機関にあって最高の環境対応エンジンとなる。また、この６サイクルエンジン１は、ディーゼルエンジンのスロットルレスに近い運転ができ、効率が上がる。 In the case of an engine fueled with hydrogen, the combustion products are NOx produced by the reaction of oxygen and nitrogen in water, air, and very little (almost negligible) CO, CO2, HC resulting from the combustion of the lubricating oil. Etc. Since NOx is generated at a higher concentration as the combustion state of hydrogen is better, it is necessary to use a NOx storage catalyst. Therefore, in the case of an engine using hydrogen as a fuel, generation of NOx can be suppressed by enabling operation in a lean state, and catalystless operation can be achieved.
The six-cycle engine 1 includes an injector 22 that injects hydrogen in accordance with the engine load, and the injector 22 is controlled by the injection control means 30 so that at least a part of the load region is operated by lean combustion. To do. As shown in FIG. 4, when the excess air ratio (λ) = 1.0 (theoretical mixing ratio), the injection control means 30 has an ultra-lean mixing of λ = 2.5 to 3.0 or more in the low load region. In the air operation and the medium load region, a thin mixture operation with λ = 1.5 to 2.0 is performed, and in the high load region, the mixture operation is performed with λ = 1.0 or approximately 0.7.
As a result, the six-cycle engine 1 can reduce NOx, which is a harmful emission component, as much as possible. This 6-cycle engine 1 uses hydrogen as the fuel, so that the combustion products are basically only water and NOx, and an ultra lean mixture (lean burn) operation with a wide flammable range (4-75%) hydrogen is performed. By doing so, “no catalyst” becomes possible, which makes it the best environment-friendly engine in an internal combustion engine. Further, the 6-cycle engine 1 can be operated close to the throttleless of a diesel engine, and the efficiency is improved.

この６サイクルエンジン１は、排気ガスにより駆動する過給機２７を備え、吸入空気を過給している。自然吸気の場合、体積比での理論空燃比が小さく、そのままの比率でいけばリーン化の余裕が小さい。水素は、理論空燃比（質量比）こそ大きいが（水素の質量比：約３４．３、水素の容積比：約２．４、ガソリンの質量比：約１４．７）、ガスの容積で考えると、自然吸気では吸気系内で占有容積が増大し、結果として水素が空気を押し退けるので、充分な希薄化ができなくなる。実際の供給は、容積で扱われる訳で、必要な出力を出す熱量分の水素を供給する以上、リーン化（どころかストイキすら）が難しくなる状態が発生する。
そこで、この６サイクルエンジン１は、過給機２７で吸入空気を過給することにより、燃焼室７に流入する吸気の空気量を増やしてリーン可能範囲を広げることが可能となる。過給運転は、基本的に過給可能であれはすべての運転領域で行う。これにより、この６サイクルエンジン１は、過給機２７により空気量を増加させることができるので、リーン度合いを大きくした状態での運転、あるいはリーン状態での運転領域を拡大させることが可能である。 The six-cycle engine 1 includes a supercharger 27 that is driven by exhaust gas, and supercharges intake air. In the case of natural intake, the theoretical air-fuel ratio in the volume ratio is small, and if it is as it is, the margin for leaning is small. Hydrogen has a large stoichiometric air-fuel ratio (mass ratio) (hydrogen mass ratio: about 34.3, hydrogen volume ratio: about 2.4, gasoline mass ratio: about 14.7), but is considered by gas volume. In the natural intake, the occupied volume increases in the intake system, and as a result, the hydrogen pushes out the air, so that it cannot be sufficiently diluted. Since the actual supply is handled by volume, a situation occurs in which leaning (or even stoichiometry) becomes difficult as long as hydrogen is supplied for the amount of heat that produces the required output.
In view of this, in the six-cycle engine 1, the intake air is supercharged by the supercharger 27, thereby increasing the amount of intake air flowing into the combustion chamber 7 and expanding the leanable range. Supercharging operation is basically performed in all operating areas if supercharging is possible. As a result, the six-cycle engine 1 can increase the amount of air by means of the supercharger 27, so that it is possible to increase the range of operation in a lean state or in a lean state. .

また、この６サイクルエンジン１は、排気通路１５と吸気通路１３とを連通する排気ガス再循環通路２５の途中に排気ガス再循環制御弁２６を設け、排気ガス再循環制御手段３３によって、排気行程時、及び冷却排気行程時に排気通路１５に排出される排気ガスを吸気通路１３に再循環するように排気ガス再循環制御弁２６を制御している。
排気ガス再循環制御弁２６によって再循環される水素燃料による排気ガスには、水蒸気が大量に含まれているため、燃焼室７に還流される排気ガスが多量の「水」を含み、特に、６サイクルによる冷却排気行程になると冷たい排気も出てくるので、これにより、前行程で排気された水蒸気が結露して微細な水滴となり循環される。
これにより、この６サイクルエンジン１は、多量の水分を含んだ排気ガスを還流するため、燃焼室７の温度を低減することが可能である。このため、この６サイクルエンジン１は、ＮＯｘの排出量低減に貢献できる。 Further, the six-cycle engine 1 is provided with an exhaust gas recirculation control valve 26 in the middle of an exhaust gas recirculation passage 25 that connects the exhaust passage 15 and the intake passage 13, and the exhaust stroke is controlled by the exhaust gas recirculation control means 33. The exhaust gas recirculation control valve 26 is controlled so that the exhaust gas discharged to the exhaust passage 15 during the cooling and exhaust strokes is recirculated to the intake passage 13.
Since the exhaust gas from hydrogen fuel recirculated by the exhaust gas recirculation control valve 26 contains a large amount of water vapor, the exhaust gas recirculated to the combustion chamber 7 contains a large amount of “water”. In the 6-cycle cooling / exhaust stroke, cold exhaust gas also comes out, so that the water vapor exhausted in the previous stroke is condensed and circulated as fine water droplets.
Thereby, since this 6-cycle engine 1 recirculates the exhaust gas containing a large amount of moisture, the temperature of the combustion chamber 7 can be reduced. For this reason, this 6-cycle engine 1 can contribute to the reduction of NOx emissions.

なお、この実施例の６サイクルエンジン１は、排気ガス再循環制御手段３３によって、排気行程時、及び冷却排気行程時に排気通路１５に排出される排気ガスを吸気通路１３に再循環するように排気ガス再循環制御弁２６を制御しているが、図５に破線で示すように、排気弁制御手段３２によって、排気行程における排気弁１１の閉止時期を早くするように排気弁１１の開度を排気弁可変動弁機構２１により制御することもできる。
これにより、この６サイクルエンジン１は、排気行程において充分に排気が行われないため、次行程の冷却吸気行程において、燃焼室７に残存した排気中に含まれる燃焼で生成されたＨ２Ｏが結露して微細な水滴状態となり、燃焼室７の壁面をより効率よく冷却することができる。このため、この６サイクルエンジン１は、さらに燃焼室７の温度を下げることができ、ＮＯｘの排出量低減に貢献できる。
また、この実施例においては、吸気弁１０及び排気弁１１を吸気カム軸１６及び排気カム軸１７により駆動したが、吸気弁１０及び排気弁１１を電磁石駆動式とすることで、より効果的な開閉時期の制御を行うことができる。さらに、この実施例においては、排気ガスにより駆動されるターボチャージャ式の過給機２７を設けたが、エンジンの出力トルクにより駆動するスーパーチャージャ式の過給機とすることもできる。 The six-cycle engine 1 of this embodiment is exhausted by the exhaust gas recirculation control means 33 so that the exhaust gas discharged to the exhaust passage 15 during the exhaust stroke and the cooling exhaust stroke is recirculated to the intake passage 13. Although the gas recirculation control valve 26 is controlled, as shown by a broken line in FIG. 5, the exhaust valve control means 32 controls the opening degree of the exhaust valve 11 so as to advance the closing timing of the exhaust valve 11 in the exhaust stroke. The exhaust valve variable valve mechanism 21 can also be controlled.
As a result, the 6-cycle engine 1 is not exhausted sufficiently in the exhaust stroke, and therefore, H2O generated by the combustion contained in the exhaust gas remaining in the combustion chamber 7 is condensed in the cooling intake stroke of the next stroke. Thus, a fine water droplet state is obtained, and the wall surface of the combustion chamber 7 can be cooled more efficiently. For this reason, this 6-cycle engine 1 can further reduce the temperature of the combustion chamber 7 and can contribute to the reduction of NOx emissions.
In this embodiment, the intake valve 10 and the exhaust valve 11 are driven by the intake camshaft 16 and the exhaust camshaft 17. However, the intake valve 10 and the exhaust valve 11 are more effectively driven by an electromagnetic drive type. The opening / closing timing can be controlled. Further, in this embodiment, the turbocharger type supercharger 27 driven by exhaust gas is provided. However, a supercharger type supercharger driven by the output torque of the engine may be used.

この発明の６サイクルエンジンは、水素を直接燃焼室に噴射するエンジンにおいて、希薄混合気燃焼が可能な均一な混合気を生成し、希薄混合気の安定した燃焼を維持してＮＯｘの低減させるものであり、燃料として水素を用いる各種のエンジンに適用することができる。 The six-cycle engine of the present invention is an engine that directly injects hydrogen into a combustion chamber, generates a homogeneous mixture capable of lean mixture combustion, maintains stable combustion of the lean mixture, and reduces NOx. And can be applied to various engines using hydrogen as a fuel.

この発明の実施例を示す６サイクルエンジンのシステム構成図である。1 is a system configuration diagram of a 6-cycle engine showing an embodiment of the present invention. 直接噴射のサイクルを示す図である。It is a figure which shows the cycle of direct injection. バルブタイミング及び噴射タイミングを示す図である。It is a figure which shows valve timing and injection timing. エンジン負荷及びエンジン回転数により設定した負荷量域の空気過剰率を示す図である。It is a figure which shows the excess air ratio of the load amount range set with the engine load and the engine speed. バルブタイミングの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of valve timing.

Explanation of symbols

１６サイクルエンジン
６クランク軸
７燃焼室
８吸気ポート
９排気ポート
１０吸気弁
１１排気弁
１６吸気カム軸
１７排気カム軸
２０吸気弁可変動弁機構
２１排気弁可変動弁機構
２２インジェクタ
２５排気ガス対循環通路
２６排気ガス再循環制御弁
２７過給機
２８制御装置
２９運転状態情報入力手段
３０噴射制御手段
３１吸気弁制御手段
３２排気弁制御手段
３３排気ガス再循環制御手段 1 6-cycle engine 6 Crankshaft 7 Combustion chamber 8 Intake port 9 Exhaust port 10 Intake valve 11 Exhaust valve 16 Intake camshaft 17 Exhaust camshaft 20 Intake valve variable valve mechanism 21 Exhaust valve variable valve mechanism 22 Injector 25 Exhaust gas pair Circulation passage 26 Exhaust gas recirculation control valve 27 Supercharger 28 Control device 29 Operating state information input means 30 Injection control means 31 Intake valve control means 32 Exhaust valve control means 33 Exhaust gas recirculation control means

Claims

In a 6-cycle engine in which the engine operation cycle is composed of an intake stroke, a compression stroke, a combustion stroke, an exhaust stroke, a cooling intake stroke, and a cooling exhaust stroke,
An injection control means for controlling the fuel injection means to inject hydrogen directly into the combustion chamber according to the engine load,
The injection control means controls the fuel injection means so as to perform injection composed of pre-injection with a small injection amount performed in an intake stroke and main injection performed in a compression stroke. 6-cycle engine to do.

The 6-cycle engine includes the fuel injection means for injecting hydrogen in accordance with an engine load.
The six-cycle engine according to claim 1, wherein the injection control means controls the fuel injection means so that at least a part of a load region is operated by lean combustion.

The 6-cycle engine includes exhaust gas recirculation means for recirculating exhaust gas,
The exhaust gas recirculation control means for controlling the exhaust gas recirculation means so as to recirculate the exhaust gas discharged during the exhaust stroke and during the cooling exhaust stroke. The six-cycle engine according to claim 2.

The six-cycle engine according to any one of claims 1 and 2, wherein the six-cycle engine includes a supercharger that is driven by the exhaust gas or an output torque of the engine.

The said 6 cycle engine is provided with the exhaust valve control means which controls the opening degree of the said exhaust valve so that the closing timing of the exhaust valve in the said exhaust stroke may be advanced. The six-cycle engine according to any one of the above.