JP2010014054A - 内燃機関における燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室の壁面への煤や未燃焼成分の付着の抑制効果を高める。
【解決手段】第２燃料は、燃料ポンプ１４及びコモンレール１５を経由して第２燃料噴射ノズル１３へ供給され、第２燃料噴射ノズル１３は、気筒１１内の燃焼室１１１に第２燃料を噴射する。吸気管１７の途中には電磁式の第１燃料噴射ノズル２０が接続されている。第１燃料噴射ノズル２０は、吸気管１７内に第１燃料を噴射する。第１燃料噴射ノズル２０から噴射された第１燃料は、吸気管１７内の空気と混合する。第１燃料が燃焼室１１１へ供給開始された後、制御コンピュータＣは、第２燃料噴射ノズル１３から第２燃料を燃焼室１１１へ噴射させる制御を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数種類の燃料を燃焼室へ供給する制御を行なう燃料供給制御手段を備えた内燃機関における燃料供給装置に関する。

単一種類の燃料を使用する内燃機関における燃焼効率を向上させるため、シリンダ内の燃焼室内に燃料を均質に分布させることが望ましい。しかし、酸素結合可能な炭素（酸素と結合して燃焼可能な炭素）の量が多い燃料を燃焼室内で均質分布させると、燃料の不完全燃焼によって生じる煤や未燃焼成分が燃焼室の周壁面に付着する。これらの付着物が多いと、シリンダ内のピストンと燃焼室の周壁面との間での摩擦抵抗が増える可能性がある。これは、動力損失の１つの原因となる。

特許文献１に開示の内燃機関では、水素と軽油との２種類の燃料、あるいは水素とガソリンとの２種類の燃料を同時に燃焼室へ供給する発明が開示されている。水素は、煤、あるいは燃焼室の周壁面に付着するような未燃焼成分の発生がないため、水素を含む２種類の燃料の燃焼では、煤や未燃焼成分の発生量は、軽油やガソリン等の単一種類の燃料を燃焼させた場合に比べて、少ない。

特許文献２に開示の内燃機関では、天然ガスと軽油との２種類の燃料、あるいは天然ガスとガソリンとの２種類の燃料を燃焼室へ供給する発明が開示されている。この場合には、運転状態に応じて軽油あるいはガソリンのみを供給する状態と、天然ガスを含む２種類の燃料を供給する状態との使い分けが行われている。特許文献２に開示の内燃機関においても、天然ガスを含む２種類の燃料を供給する状態では、煤や未燃焼成分の発生量は、軽油やガソリン等の単一種類の燃料を燃焼させた場合に比べて、少ない。
特開２００３−２９３８０９号公報 特表２００６−５００５１３号公報

しかし、特許文献１，２に開示の発明は、煤や未燃焼成分の発生量を低減したり、エネルギー効率を高めることを考慮したものであり、煤や未燃焼成分が燃焼室の周壁面に付着することを抑制する思想は、開示されていない。

本発明は、燃焼室の壁面への煤や未燃焼成分の付着の抑制効果を高めることを目的とする。

本発明は、複数種類の燃料を燃焼室へ供給する制御を行なう燃料供給制御手段を備えた内燃機関における燃料供給制御手段を対象とし、請求項１の発明では、前記複数種類の燃料のうちの第１燃料における１モル当たりの酸素結合可能な炭素量は、前記複数種類の燃料のうちの第２燃料における１モル当たりの酸素結合可能な炭素量よりも少なく、前記燃料供給制御手段は、前記第１燃料が前記燃焼室へ供給が開始された後から前記第２燃料を前記燃焼室へ供給する制御を行なう。

ここにおける酸素結合可能な炭素とは、燃焼可能な炭素のことであり、酸素結合が不可能な炭素とは、例えば二酸化炭素における炭素である。又、炭素量とは、燃料の１モル中の酸素結合可能な炭素の量のことである。

第１燃料が先に燃焼室内へ供給されるため、燃焼室の壁面付近で燃焼する燃料は、主として第１燃料となる。そのため、燃焼室の壁面付近で発生する煤や未燃焼成分が非常に少なく、燃焼室の壁面への煤や未燃焼成分の付着は、非常に少ない。

好適な例では、前記第１燃料における前記炭素量は、天然ガスにおける１モル当たりの酸素結合可能な炭素量よりも少ない。
なお、天然ガスにおける１モル当たりの酸素結合可能な炭素量よりも少ない燃料とは、気体状態の燃料１立方メートル当たりの二酸化炭素排出量が０．７ｋｇ以下の燃料を指すこととする。気体状態の燃料１立方メートル当たりの二酸化炭素排出量が０．７ｋｇを僅かに上回る燃料としては、例えば都市ガス（Ｌ３）がある。１立方メートル当たりの都市ガス（Ｌ３）の二酸化炭素排出量は、０．７１８ｋｇである。天然ガスにおける炭素量よりも少ない炭素量の燃料は、燃焼室の壁面への煤や未燃焼成分の付着の抑制効果を高める上で、好適な第１燃料である。

好適な例では、前記第１燃料は、水素である。
煤や未燃焼成分が発生しない水素は、特に好適な第１燃料である。
好適な例では、前記内燃機関は、予混合圧縮機関であり、前記第１燃料は、空気と混合させた混合気として吸気通路から燃焼室へ供給され、前記第２燃料は、燃焼室に設けられた燃料噴射ノズルから前記燃焼室に噴射される。

第１燃料は、燃焼室内に均質に分布させることが望ましい。予混合圧縮機関は、第１燃料を燃焼室内に均質に分布させる上で好適な内燃機関である。燃料噴射ノズルを採用した構成は、燃焼室の壁面から離れた場所に第２燃料を分布させる上で、好適な構成である。

好適な例では、前記内燃機関は、前記第１燃料と空気とを混合させた混合気を燃焼室で圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火機関である。
第１燃料が第２燃料よりも圧縮自着火し易い燃料である場合には、第１燃料が第２燃料よりも先に燃焼する。これは、燃焼室の壁面への煤や未燃焼成分の付着を抑制する上で好ましい。

好適な例では、前記燃料供給制御手段は、前記燃焼室への前記第１燃料の供給停止後に前記第２燃料の供給を開始する制御を行なう。
第１燃料の供給停止後に第２燃料の供給を開始する制御は、第１燃料と第２燃料との混合を抑制する上で好ましい。

本発明は、燃焼室の壁面への煤や未燃焼成分の付着の抑制効果を高めることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明を予混合圧縮自着火機関に具体化した第１の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１（ｂ）に示すように、予混合圧縮自着火機関Ｅ（内燃機関）を構成するシリンダブロック１０は、複数の気筒１１〔図１（ａ）に示すように本実施形態では４つ〕を備えており、シリンダブロック１０に連結されたシリンダヘッド１２には気筒１１毎に電磁式の第２燃料噴射ノズル１３が取り付けられている。

図１（ａ）に示すように、第２燃料は、燃料ポンプ１４及びコモンレール１５を経由して第２燃料噴射ノズル１３へ供給され、第２燃料噴射ノズル１３は、各気筒１１内の燃焼室１１１に第２燃料を噴射する。本実施形態では、第２燃料は軽油である。第２燃料噴射ノズル１３は、制御コンピュータＣの制御を受ける。

シリンダヘッド１２にはインテークマニホールド１６が接続されている。インテークマニホールド１６には吸気管１７が接続されており、吸気管１７にはエアクリーナ１８が接続されている。吸気管１７の途中には、上流側より、スロットル弁１９が配設されていると共に、電磁式の第１燃料噴射ノズル２０が接続されている。第１燃料噴射ノズル２０は、燃料供給通路２１を介して図示しない燃料供給源に接続されている。第１燃料は、水素である。第１燃料噴射ノズル２０は、吸気管１７内に第１燃料を噴射する。第１燃料噴射ノズル２０から噴射された第１燃料は、吸気管１７内の空気と混合する。第１燃料噴射ノズル２０は、制御コンピュータＣの制御を受ける。

スロットル弁１９は、吸気管１７に吸入される空気流量を調整するためのものである。スロットル弁１９は、ステッピングモータ２２によって開度変更される。ステッピングモータ２２は、制御コンピュータＣの制御を受ける。

シリンダヘッド１２にはエキゾーストマニホールド２３が接続されており、エキゾーストマニホールド２３には排気管２４が接続されている。気筒１１から排出される排気ガスは、エキゾーストマニホールド２３及び排気管２４を経由して大気に放出される。

図１（ｂ）に示すように、気筒１１にはピストン２５が往復動可能に収容されている。気筒１１内に燃焼室１１１を区画するピストン２５は、コネクティングロッド２６１を介してクランク軸２６に連結されている。ピストン２５の往復運動は、コネクティングロッド２６１を介してクランク軸２６の回転運動に変換される。

シリンダブロック１０に連結されたシリンダヘッド１２には吸気ポート１２１及び排気ポート１２２が形成されている。シリンダヘッド１２には吸気弁２７が吸気ポート１２１を開閉可能に設けられており、シリンダヘッド１２には排気弁２８が排気ポート１２２を開閉可能に設けられている。吸気ポート１２１にはインテークマニホールド１６の枝管が接続されており、排気ポート１２２にはエキゾーストマニホールド２３の枝管が接続されている。

シリンダヘッド１２の上方には吸気カム軸２９及び排気カム軸３０が配設されている。吸気カム軸２９には吸気カム３１が設けられており、排気カム軸３０には排気カム３２が設けられている。吸気カム３１は、吸気カムレバー３３を駆動可能であり、排気カム３２は、排気カムレバー３４を駆動可能である。

吸気管１７内の第１燃料と空気との混合気は、ピストン２５が上死点から下死点に向かう行程の時に吸気ポート１２１が開いていると、燃焼室１１１へ吸入される。燃焼室１１１内の前記混合気は、ピストン２５が下死点から上死点に向かう行程の時に吸気弁２７が吸気ポート１２１を閉じていると共に、排気弁２８が排気ポート１２２を閉じていると、圧縮される。

制御コンピュータＣにはクランク角度検出器３５が信号接続されている。クランク角度検出器３５は、クランク軸２６の回転角度（クランク角度）を検出する。クランク角度検出器３５によって検出されたクランク角度情報は、制御コンピュータＣへ送られる。

図１（ｂ）は、クランク角度が０°であってピストン２５が上死点位置にある状態を示す。図１（ｂ）の状態は、排気行程完了時点の状態であり、吸気弁２７が吸気ポート１２１を閉じていると共に、排気弁２８が排気ポート１２２を閉じている。図２に示すように、ピストン２５が上死点位置から下死点位置側に向かっているときには、吸気弁２７が吸気ポート１２１を開き、吸気管１７内の第１燃料と空気との混合気が燃焼室１１１内へ流入する。

図３は、クランク角度が１８０°よりも少し前の角度であってピストン２５が下死点位置よりも少し前の位置にある状態を示す。吸気弁２７は、図３の状態のときに吸気ポート１２１を閉じ、吸気管１７内の混合気が燃焼室１１１内へ流入不能となる。そして、制御コンピュータＣは、吸気弁２７が吸気ポート１２１を閉じるタイミングに合わせて、第２燃料噴射ノズル１３から第２燃料を噴射させる。制御コンピュータＣは、第１燃料が燃焼室１１１へ供給開始された後から第２燃料を燃焼室１１１へ供給する制御を行なう燃料供給制御手段である。

図４は、クランク角度が１８０°であってピストン２５が下死点位置にある状態を示す。燃焼室１１１内の領域Ｈは、空気と第１燃料（水素）との混合気の存在領域を模式的に示し、燃焼室１１１内の領域Ｋは、第２燃料（軽油）の存在領域を模式的に示す。空気と第１燃料（水素）との混合気の存在領域Ｋは、主として燃焼室１１１の周壁面１１２、燃焼室１１１の上壁面、及びピストン２５の端面２５１を占有し、第２燃料の存在領域Ｋは、燃焼室１１１の中央部を占有する。

図３の状態からピストン２５が上死点位置に向かい、ピストン２５が上死点位置付近に到達すると、燃焼室１１１内の空気と第１燃料との混合気が圧縮することによって第１燃料が自着火する。第１燃料が自着火して燃焼すると、この燃焼が第２燃料の燃焼をもたらす。ピストン２５は、燃焼室１１１内の燃料の燃焼に伴って上死点位置側から下死点位置側へと向かう。

燃焼室１１１内の燃料の燃焼に伴ってピストン２５が下死点位置に達すると、排気弁２８が排気ポート１２２を開く。燃焼室１１１内の既燃焼ガスは、ピストン２５が下死点位置から上死点位置に向かう行程中に排気ポート１２２からエキゾーストマニホールド２３へ排出される。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）第２燃料は、第１燃料を燃焼室１１１へ供給開始した後から燃焼室１１１へ供給される。第１燃料が先に燃焼室１１１内へ供給されるため、第１燃料の存在領域Ｋは、主として燃焼室１１１の周壁面１１２、燃焼室１１１の上壁面、及びピストン２５の端面２５１を占有する。従って、燃焼室１１１の周壁面１１２付近で燃焼する燃料は、主として第１燃料となる。そのため、燃焼室１１１の周壁面１１２付近で発生する煤や未燃焼成分は、非常に少なく、燃焼室１１１の周壁面１１２への煤や未燃焼成分の付着は、非常に少ない。つまり、第１燃料における酸素結合可能な炭素の炭素量が第２燃料よりも少ない第１燃料を先に燃焼室１１１へ供給する制御は、燃焼室１１１の周壁面１１２への煤や未燃焼成分の付着の抑制効果を高める。

（２）非常に燃焼し易い水素の燃焼は、第２燃料（軽油）の燃焼を促進し、第２燃料（軽油）の未燃焼成分が低減される。炭素を含まない水素は、煤や未燃焼成分の発生を防止する上で特に好適な第１燃料である。

（３）第１燃料は、燃焼室１１１の周壁面１１２付近を占有することが望ましく、そのためには、第１燃料を燃焼室１１１内に均質に分布させることが望ましい。燃焼室１１１へ供給される前に予め第１燃料を空気と混合させる予混合圧縮自着火機関Ｅは、第１燃料を燃焼室１１１内に均質に分布させる上で好適な内燃機関である。

（４）第２燃料噴射ノズル１３における噴射圧は、第２燃料を燃焼室１１１の中央部に分布させるように設定することが望ましい。第２燃料噴射ノズル１３における噴射圧は、燃料ポンプ１４の供給圧を調整することによって変更できる。又、第２燃料噴射ノズル１３の採用は、第２燃料の噴射方向を燃焼室１１１の中央部に特定する上で便利である。従って、燃焼室１１１へ第２燃料を供給するために第２燃料噴射ノズル１３を採用した構成は、燃焼室１１１の周壁面１１２から離れた場所に第２燃料を分布させる上で、好適な構成である。

（５）予混合圧縮自着火機関Ｅでは、第１燃料（水素）が第２燃料（軽油）よりも先に自着火して燃焼する。これは、燃焼室１１１の周壁面１１２への煤や未燃焼成分の付着を抑制する上で好ましい。従って、第１燃料が第２燃料よりも圧縮自着火し易い燃料である場合には、予混合圧縮自着火機関Ｅは、燃焼室１１１の周壁面１１２への煤や未燃焼成分の付着を抑制する上で好適な内燃機関である。

（６）第２燃料が燃焼室１１１の周壁面１１２付近で第１燃料と混じり合うと、燃焼室１１１の周壁面１１２への煤や未燃焼成分の付着が増える。そのため、燃焼室１１１の周壁面１１２への煤や未燃焼成分の付着を抑制するには、第２燃料が第１燃料と可及的に混じり合わないようにするのが望ましい。

制御コンピュータＣは、燃焼室１１１への第１燃料の供給停止後に第２燃料の供給を開始する制御を行なう。第１燃料の供給停止後に第２燃料の供給を開始する制御は、第１燃料と第２燃料との混合を抑制する上で好ましい。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
○第１の実施形態において、燃焼室１１１への第１燃料の供給途中に第２燃料の供給を開始する制御を行なうようにしてもよい。

○第１の実施形態において、空気と第１燃料との混合気を圧縮する圧縮行程の途中で第２燃料を第２燃料噴射ノズル１３から噴射するようにしてもよい。
○第１の実施形態において、空気と第１燃料との混合気を圧縮する圧縮行程完了後に第２燃料を第２燃料噴射ノズル１３から噴射するようにしてもよい。

○第２燃料として、ガソリンを用いてもよい。
○第１燃料としては水素以外に、天然ガスにおける酸素結合可能な炭素の炭素量よりも少ない炭素量の燃料を用いてもよい。

○第１燃料として、アルコール類を用いてもよい。
○第２燃料として、天然ガスを用いてもよい。
○空気と第１燃料との混合気を圧縮によって自着火させずに、第２燃料の供給後に点火プラグを用いて燃焼室内の燃料を点火燃焼させるようにしてもよい。

○燃焼室１１１への第２燃料の供給開始後に第３燃料を供給するようにしてもよい。
○第１燃料の供給開始後に、第２燃料及び第３燃料を同時に供給するようにしてもよい。

○第１燃料を燃料噴射弁により燃焼室に直接噴射してもよい。その場合には、例えば吸気行程中に燃料を噴射することで、燃料が燃焼室内の空気と混合されるようにするのが好ましい。

○第２燃料を吸気通路を通じて燃焼室に導入してもよい。その場合には、吸気通路が燃焼室に接続する部分の角度等を調整することで、第２燃料が燃焼室の中央部に導入されるようにする必要がある。

第１の実施形態を示し、（ａ）は、内燃機関の概略構成図。（ｂ）は、内燃機関の側断面図。 内燃機関の側断面図。 内燃機関の側断面図。 内燃機関の側断面図。

符号の説明

１１１…燃焼室。１３…第２燃料噴射ノズル。Ｅ…内燃機関である予混合圧縮自着火機関。Ｃ…燃料供給制御手段としての制御コンピュータ。

Claims (6)

1. 複数種類の燃料を燃焼室へ供給する制御を行なう燃料供給制御手段を備えた内燃機関における燃料供給装置において、
   前記複数種類の燃料のうちの第１燃料における１モル当たりの酸素結合可能な炭素量は、前記複数種類の燃料のうちの第２燃料における１モル当たりの酸素結合可能な炭素量よりも少なく、前記燃料供給制御手段は、前記第１燃料が前記燃焼室へ供給が開始された後から前記第２燃料を前記燃焼室へ供給する制御を行なう内燃機関における燃料供給装置。
2. 前記第１燃料における前記炭素量は、天然ガスにおける１モル当たりの酸素結合可能な炭素量よりも少ない請求項１に記載の内燃機関における燃料供給装置。
3. 前記第１燃料は、水素である請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の内燃機関における燃料供給装置。
4. 前記内燃機関は、予混合圧縮機関であり、前記第１燃料は、空気と混合させた混合気として吸気通路から燃焼室へ供給され、前記第２燃料は、燃焼室に設けられた燃料噴射ノズルから前記燃焼室に噴射される請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関における燃料供給装置。
5. 前記内燃機関は、前記第１燃料と空気とを混合させた混合気を燃焼室で圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火機関である請求項４に記載の内燃機関における燃料供給装置。
6. 前記燃料供給制御手段は、前記燃焼室への前記第１燃料の供給停止後に前記第２燃料の供給を開始する制御を行なう請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関における燃料供給装置。

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