JP2022063214A - 水素燃料内燃機関の作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素燃料内燃機関の燃焼改善による異常燃焼を緩和する。【解決手段】水素燃料内燃機関１を作動させるための方法であって、以下のステップを含む方法。少なくとも１つのシリンダ２と、クランクシャフト５に支持され且つ主燃焼室２１を画定するようにシリンダ２内での往復運動を繰り返すためのピストン３と、いずれも予燃焼室４１に配置された点火部４２および水素燃料噴射器４３を有し且つシリンダ２内に配置された点火装置４と、を備える内燃機関１であって、予燃焼室４１が、該予燃焼室４１と主燃焼室２１との間で流体連通を提供するための複数の開口４４を有する内燃機関１を提供するステップと、予燃焼室４１に水素燃料を導入する工程、主燃焼室２１に水素燃料を導入する工程、主燃焼室２１に導入された水素燃料を燃焼させるために予燃焼室４１に導入された水素燃料に点火する工程を含むサイクルで内燃機関を作動させるステップ、を含む方法。【選択図】図１

Description

本発明は、水素燃料を用いて内燃機関（エンジン）を作動させる方法に関し、また、独立請求項の水素燃料内燃機関に関する。

本発明は、水素燃料を使用する内燃機関であって、乱流噴流点火（Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ Ｊｅｔ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）の使用による燃焼室点火のための予燃焼室を有する内燃機関の技術分野にある。

水素は、ガソリンやディーゼルなどの化石燃料の代替燃料であるため、水素燃料を使用する内燃機関は、気候変動の緩和に寄与する。特に、再生可能エネルギーを利用した加水分解プロセスで生成される水素を利用することによって、ＣＯ_２ニュートラルな水素多量供給が可能となる。また、水素内燃機関では、ＣＯ_２の排出が回避される。

しかしながら、最小点火エネルギーの低さ、燃焼限界の広さ、低温での単純な反応速度論といった水素特有の燃料特性によって、異常燃焼が起こりやすい。異常燃焼の一形態はノック（ノッキング）であり、ノックとは、望ましくない自動点火によってエンジン内の燃料が制御されずに燃焼してしまうことである。これに伴って圧力ピークが生じ、ピストン、ベアリング、シリンダヘッド、バルブなどが損傷され得る。従って、様々な形態の異常燃焼を防ぐ必要がある。

ガソリンのような従来の燃料では、ノックを制御する方法は、燃焼期間を短縮することによって行われる。これにより、未燃焼の燃料／空気混合物が燃焼の前に高温になる滞留時間を減らし、それによって、燃焼開始による通常消費の前に起こる自己発火の可能性を低減できる。

しかしながら、水素燃料が所定温度閾値に達すると、水素燃料の異常燃焼が急激に発生する。より複雑な炭化水素とは異なり、水素の低温反応速度論は、未燃焼の空気／水素燃料混合物の滞留時間に対する感度が最小であることから、ノック緩和のメカニズムとして、燃焼期間の短縮は、さほど効果的でないということになる。

従って、水素燃料による異常燃焼を減らすためには２つの有効な方法がある。１つ目は、シリンダ内のバルク温度を下げることである。２つ目は、水素の点火が成功する温度閾値を高めるために、空気／水素混合燃料の組成を変更することである。

燃焼室内における、燃料に対する空気の燃料非依存性の質量比（空燃比／化学量論空燃比）は、一般的にラムダ（λ）と示され、これは、理論的に完全な燃焼プロセスのための化学量論的な各理想比率に対する、燃料に対する空気の質量比を示す。この比は、燃料を完全に燃焼させる十分な空気が供給されたときに、化学量論的になる。これは、λ＝１と規定される。より低い空燃比（λ＜１）は「リッチ」と称され、一方、より高い空燃比（λ＞１）は「リーン」と称される。本発明は、予燃焼室内のλと主燃焼室内のλとを区別（別々に設定）する。従来、λが１から離れると混合物の点火品質が悪くなり、最終的にはλ限界値に達し、これを越えてしまうと燃焼性能が悪くなる。

従来のスパークプラグによってのみ点火が達成されるスパーク点火エンジンと比較して、乱流噴流点火は、より広いλ限界値の範囲内でエンジンが作動することを可能にする。化石燃料について乱流噴流点火のための点火システムを採用した従来技術の内燃機関が、米国特許出願公開第２０１２ １０３ ３０２ Ａ１号に開示されている。この内燃機関は、シリンダを有するエンジンブロックを有する。各シリンダは、空気燃料の主充填が点火される主燃焼室に隣接して、シリンダヘッドを有する。ピストンは、燃焼室に隣接して配置され、ロッドを介してクランクシャフトに連結されて、往復運動が可能である。各シリンダルーフは、吸気開口部と排気開口部とを画定している。吸気開口部および排気開口部は、カム駆動バルブによって開閉され、シリンダと吸気マニホールドおよび排気マニホールドとの間の流体連通を提供する。

内燃機関は、また、吸気口を通じて燃焼室に燃料／空気の主充填を導入する手段として、吸気マニホールドに取り付けられた燃料噴射器を含む。点火装置は、点火部と、内側の予燃焼室空間に対向するように配置された噴射器とを有する。

予燃焼室は、互いに離間して配置された複数の開口であって、予燃焼室と燃焼室との間に流体連通を提供する複数の開口を有するノズルを形成するように成型されている。点火部は、予燃焼室内の燃料に点火する。開口の直径は小さく保たれ、燃焼生成物が予燃焼室から主燃焼室へ出るときに、消炎を促進する。消炎とは、部分的に燃焼した予燃焼室生成物が予燃焼室の小さな開口を通過することを意味する。燃焼生成物は、火が消えるが主燃焼室を通って分散し、次に主燃料充填と反応し、主燃焼室内における複数の箇所で、予燃焼室ノズルからある距離を空けて、化学的、熱的、および乱流効果によって燃焼を開始する。

より効率的な反応性噴流を生成できる改良点火装置が、米国特許出願公開第２０１５ ００６ ８４８ ９ Ａ１号に開示されている。この点火装置の予燃焼室は、予燃焼室空間と主室空間との間で流体連通を提供するための有利な設計（即ち直径サイズ）の複数の開口を含む。

噴流点火器の場合、スパークプラグからの電気エネルギーは、予燃焼室内の少量の燃料／空気混合物を、予燃焼室燃焼による化学エネルギーへ変換するために使用される。その結果生じる予燃焼室内の圧力上昇によって、その化学エネルギーは、予燃焼室のノズル開口部を通って内容物が流れるときに形成される噴流（ジェット）となって、主燃焼室に急速に伝達される。乱流噴流点火（ＴＪＩ）は、高エネルギー点火源であるため、上述した技術によって、超希薄空燃比を特徴とする点火品質の低い混合物の使用が可能になる。

本発明の目的は、乱流噴流点火によって点火される水素燃料を使用して内燃機関を作動させる方法を提供して、燃焼を改善して異常燃焼を緩和すること、さらに水素燃料内燃機関を提供することである。

この目的は、以下のステップを含む水素燃料内燃機関を作動させる方法によって達成される。
－ 少なくとも１つのシリンダと、クランクシャフトに支持され且つ燃焼室を画定するようにシリンダ内における往復運動を繰り返すためのピストンと、いずれも予燃焼室に配置された点火部および水素燃料噴射器を有し且つ前記シリンダ内に配置された点火装置と、を備える内燃機関であって、前記予燃焼室が、前記予燃焼室と前記主燃焼室との間で流体連通を提供するための複数の開口を有する内燃機関を提供するステップ、および、
－ 次の工程を含むサイクルで内燃機関を作動させるステップ、
－ 予燃焼室に水素燃料を導入する工程；
－ 主燃焼室に水素燃料を導入する工程；および、
－ 主燃焼室に導入された水素燃料を燃焼させるために予燃焼室に導入された水素燃料に点火する工程。

水素燃料とは、体積比で５０％を超える水素を含む水素燃料混合物である。（能動的に水素を入れた）予燃焼室の使用（能動的噴流点火）によって、予燃焼室内のλと、主燃焼室内のλとが分離される。これにより、最適なスパーク現象のための予燃焼室内におけるλの調整を、予燃焼室内で実施することができ、反応性の高い生成物が、引き続いて主燃焼室内で第２燃焼現象を開始する。主燃焼室内のλは、予燃焼室内および主燃焼室内の両方の異常燃焼を緩和するように、予燃焼室内のλとは独立して調整することができる。

具体的には、予燃焼室に水素燃料を導入する工程は、主燃焼室に水素燃料を導入する工程の後に行う。これにより、予燃焼室および主燃焼室における空気／水素燃料混合物（およびλ）を別々に制御できる。

または、予燃焼室に水素燃料を導入する工程と、主燃焼室に水素燃料を導入する工程とは、少なくとも部分的に重複して実施される。これにより、主燃焼室および予燃焼室における空気／水素燃料混合物の同時制御を改善することができる。

予燃焼室に水素燃料を導入する工程が、主燃焼室に導入された水素燃料の一部が予燃焼室に入ることを含む場合は、特に好ましい。

好ましい態様によれば、予燃焼室に水素燃料を導入する工程は、ピストンがシリンダ内で圧縮ストロークする間に、主燃焼室に導入された水素燃料の一部が予燃焼室に入ることを含む。

別の好ましい態様によれば、予燃焼室に水素燃料を導入する工程は、ピストンがシリンダ内で吸気ストロークする間に、主燃焼室に導入された水素燃料の一部が部分的に予燃焼室に入ることを含む。

有利には、予燃焼室に水素燃料を導入する工程は、水素燃料が水素燃料噴射器によって予燃焼室に噴射されることを含む。これにより、予燃焼室内の空気／水素燃料比λを低減させて、主燃焼室から予燃焼室に入る水素燃料のリーンラムダを補うことができる。

有利な態様によれば、予燃焼室内に水素燃料を導入する工程は、予燃焼室内の燃料噴射器によって水素燃料を複数回噴射することを含む。これにより、より多くの水素燃料を加えることが可能となり、従って、水素燃料－空気混合物の可燃性を改善し且つ予燃焼室内で点火されるリッチな混合物を提供することが可能となる。

特に好ましい態様は、予燃焼室内へ噴射された水素燃料を点火するときに、予燃焼室内の空気／水素燃料比λが０．２５≦λ≦０．４の範囲内になるように選択される、予燃焼室内の水素燃料の噴射量に関する。λの上記範囲は、予燃焼室内の異常燃焼（例えば、早期着火、ノック）を緩和すべく予燃焼室内の燃焼温度を下げるために選択される。さらに、λの上記範囲は、予燃焼室および主室における異常燃焼（例えば、早期着火、ノック）を緩和すべく、予燃焼室での燃焼期間を最適化するために選択される。

別の好ましい態様によれば、予燃焼室内へ噴射された水素燃料を点火するときに、予燃焼室内の空気／水素燃料比λが１．４≦λ≦２．５の範囲内になるように、予燃焼室内の水素燃料の噴射量が選択される。λの上記範囲は、予燃焼室内の異常燃焼（例えば、早期着火、ノック）を緩和すべく予燃焼室内の燃焼温度を下げるために選択される。さらに、λの上記範囲は、予燃焼室および主室における異常燃焼（例えば、早期着火、ノック）を緩和すべく、予燃焼室での燃焼期間を最適化するために選択される。

予燃焼室内への水素燃料の噴射は、予燃焼室内に水素燃料を噴射する工程の間、予燃焼室内に噴射された水素燃料の点火まで、予燃焼室内の空気／水素燃料比λが１．４≦λに維持されるように実施されることが特に好ましい。これは、予燃焼室内へ噴射された水素燃料を点火するときに、１．４≦λ≦２．５の範囲を実現することと併せて適用される。これにより、予燃焼室内で異常燃焼（例えば、早期着火、ノック）が発生する可能性を低減することができる。

本発明の利点は、図面に関連して、以下に説明される。

図１は、乱流噴流点火用の点火装置を有する、水素燃料を用いる内燃機関の垂直断面図である。 図２は、水素燃料を用いて内燃機関を作動させる方法のステップを説明するブロック図である。 図３は、着火時（点火時期）における、予燃焼室ラムダに対する予燃焼室の燃焼期間を示すプロットである。 図４は、予燃焼室の燃焼期間に対する、主燃焼室における初期燃焼期間を示すプロットである。 図５は、着火時（点火時期）における、予燃焼室ラムダに対する、予燃焼室内部における内容物のピーク燃焼温度のシミュレートを示すプロットである。 図６は、ラムダλに対する、定容積断熱火炎温度および火炎速度を示すプロットである。

図１において、水素燃料を用いる内燃機関１の一例として本図では、１つのシリンダ２と、シリンダ２における往復運動を繰り返すためのクランクシャフト５に支持されたピストン３とが示されている。シリンダ２およびピストン３は、主燃焼室２１の境界を画定する。内燃機関１は、燃焼室２１に対向するように配置された点火装置４を有する。点火装置４は、点火部４２と水素燃料噴射器４３とを有し、これら両方とも予燃焼室４１の内空間の一部を形成するように予燃焼室４１に配置されている。予燃焼室４１は、予燃焼室４１の内空間と主燃焼室２１の内空間との間に流体連通を提供するための複数の開口４４（オリフィス）を有する。

本発明によれば、水素燃料は、主燃焼室２１に導入される。続いて、シリンダ２内のピストン３の圧縮ストローク中に、主燃焼室２１から予燃焼室４１に水素燃料が流入することによって、予燃焼室４１に水素燃料が導入される。水素燃料噴射器４３によって水素燃料を予燃焼室４１へ噴射することにより、より多くの水素燃料が予燃焼室４１に導入される。導入された水素燃料は、点火部４２によって予燃焼室４１内で点火される。その結果、予燃焼室４１の圧力が上昇すると、この化学エネルギーが噴流となって主燃焼室２１に即座に伝達され、この噴流は、主燃焼室２１に導入された水素燃料を燃焼させるべく内容物が開口４４を通って主燃焼室２１に流入するときに、形成される。

水素燃料内燃機関（図１に示す）の作動方法を図２のブロック図に示す。図１および図２の参照番号は互いに対応するため、以下の図１の参照番号を図２の説明に用いる。

工程Ａは、主燃焼室２１に水素燃料を導入することに関する。

工程Ｂにおいて、シリンダ２内のピストン３の圧縮ストローク中に、水素燃料が主燃焼室２１から予燃焼室４１に入って、予燃焼室４１に水素燃料が導入される。

工程Ｃにおいて、水素燃料噴射器４３によって予燃焼室４１内へ水素燃料が噴射される。これにより、予燃焼室４１内の空気／水素燃料比λを低減し、主燃焼室２１から予燃焼室４１に入る水素燃料のリーンラムダを補うことができる。本実施例は、予燃焼室４１内の水素燃料噴射器４３によって水素燃料を複数回噴射すること（工程Ｃ、工程Ｃ、工程Ｃ、．．．）を含む。予燃焼室４１内に供給された空気／水素燃料混合物は、噴射ごとに、水素燃料／空気混合物の燃焼性を改善するリッチへ変化し得る。

導入された水素燃料は、工程Ｄにおいて、点火部４２によって予燃焼室４１内で点火される。その結果生じる予燃焼室４１内の圧力上昇によって、化学エネルギーは、噴流（ジェット）となって即座に主燃焼室２１へ伝達され、この噴流は、主燃焼室２１に導入された水素燃料を燃焼させるために、内容物が開口４４を通って主燃焼室２１へ流れるときに形成される。

図３は、予燃焼室内へ噴射された水素燃料を点火するとき、即ち点火時期における、予燃焼室ラムダ値に対する、予燃焼室の燃焼期間を示すプロットである。最適な燃焼性能のために、予燃焼室内へ噴射された水素燃料を点火するとき、即ち点火時期に、予燃焼室内の正規化された空気／水素燃料比λが０．２５≦λ≦０．４または１．４≦λ≦２．５の範囲内であるように、予燃焼室内への水素燃料の噴射量が選択される。さらに、λのこれら範囲は、異常燃焼（例えば、早期着火、ノック）を緩和すべく、予燃焼室の最適な燃焼期間のために選択される。これらの領域外では、予燃焼室燃焼が過度に遅くなると、例えば、予燃焼室または主室のいずれかにおける許容できない燃焼不安定性または誤点火によって、エンジン性能が低下する可能性が高くなり、または、予燃焼室燃焼が過度に速くなると、例えばノッキングのように、予燃焼室燃焼が異常になる。

図４は、予燃焼室の燃焼期間に対する、主燃焼室における初期燃焼期間（存在する燃料質量の０％～１０％を主燃焼室が消費するために要するクランク角度の持続時間）を示すプロットである。領域Ａは、過度に遅い予燃焼室燃焼が主室内で過度に遅い初期燃焼を生じさせる領域であって、例えば予燃焼室内または主室内での許容できない燃焼不安定性または誤点火といったエンジン性能の低下を起こす可能性が高い領域を特定している。領域Ｂは、過度に速い予燃焼室の燃焼現象によって、予燃焼室内において例えばノッキングといった異常燃焼が起こる可能性のある領域を特定している。

図５は、予燃焼室内へ噴射された水素燃料を点火するとき、即ち点火時期における、予燃焼室ラムダλに対する、予燃焼室内部の内容物のピーク燃焼温度シミュレートを示すプロットである。０．４≦λ≦１．４の範囲内の高い燃焼温度は、後にエンジンサイクルで生じる異常燃焼、例えば、早期着火またはノックの可能性を増加させる。

最適な燃焼性能のために、予燃焼室内へ噴射された水素燃料を点火するとき、つまり点火時期に、予燃焼室内の正規化された空気／水素燃料比λが０．２５≦λ≦０．４または１．４≦λ≦２．５の範囲内となるように、予燃焼室内の水素燃料の噴射量が選択される。λの両方の範囲は、例えば、早期着火またはノックといった異常燃焼を緩和する程度まで予燃焼室内の燃焼温度を低下させるために、選択される。

図６は、ラムダλに対する、定容積断熱火炎温度および火炎速度を示すプロットである。プロットは、ラムダに対する水素燃料特性の一般的な関係を示すのに役立ち、予燃焼室内へ噴射された水素燃料を点火するとき、即ち点火時期において、例えば、予燃焼室内の正規化された空気／水素燃料比λを最適化するために利用できる。

最適な燃焼性能のために、予燃焼室内へ噴射された水素燃料の点火のとき、即ち点火時期に、燃焼挙動に影響する定容積断熱火炎温度および火炎速度の両方を考慮すべく、予燃焼室内の正規化された空気／水素燃料比λが０．２５≦λ≦０．４または１．４≦λ≦２．５の範囲内であるように、予燃焼室内の水素燃料の噴射量が選択される。例えば、リーン条件下において、λ＝１．４の高火炎温度は、より遅い化学反応と、それに続く低火炎速度とによっていくぶん相殺され、より低いピーク燃焼圧力を予燃焼室内にもたらす。

このため、良好な予燃焼室燃焼、および、その後の主室燃焼のための最適なλ範囲は、λ＝１付近で対称である必要はなく、むしろより大きな値にシフトされる。

Claims (12)

1. 水素燃料内燃機関（１）を作動させるための方法であって、以下のステップを含む方法：
   － 少なくとも１つのシリンダ（２）と、クランクシャフト（５）に支持され且つ主燃焼室（２１）を画定するように前記シリンダ（２）内での往復運動を繰り返すためのピストン（３）と、いずれも予燃焼室（４１）に配置された点火部（４２）と水素燃料噴射器（４３）とを有し且つ前記シリンダ（２）内に配置された点火装置（４）と、を備える内燃機関（１）であって、前記予燃焼室（４１）が、前記予燃焼室（４１）と前記主燃焼室（２１）との間で流体連通を提供するための複数の開口（４４）を有する前記内燃機関（１）を提供するステップ、および、
   － 次の工程を含むサイクルで前記内燃機関を作動させるステップ、
   － 前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する工程；
   － 前記主燃焼室（２１）に水素燃料を導入する工程；および、
   － 前記主燃焼室（２１）に導入された前記水素燃料を燃焼させるために前記予燃焼室（４１）に導入された前記水素燃料に点火する工程。
2. 前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する前記工程は、前記主燃焼室（２１）に水素燃料を導入する前記工程の後に実施される、請求項１記載の方法。
3. 前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する前記工程と、前記主燃焼室（２１）に水素燃料を導入する前記工程とが少なくとも部分的に重複して実施される、請求項１記載の方法。
4. 前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する前記工程は、前記主燃焼室（２１）に導入された前記水素燃料の一部が前記予燃焼室（４１）へ入ることを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する前記工程は、前記ピストン（３）が前記シリンダ（２）内で圧縮ストロークする間に、前記主燃焼室（２１）に導入された前記水素燃料の一部が前記予燃焼室（４１）へ入ることを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する前記工程は、前記ピストン（３）が前記シリンダ（２）内で吸気ストロークする間に、前記主燃焼室（２１）に導入された前記水素燃料の一部が前記予燃焼室（４１）へ部分的に入ることを含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する前記工程は、前記水素燃料噴射器（４３）によって前記予燃焼室（４１）へ水素燃料が噴射されることを含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する前記工程は、前記予燃焼室（４１）内の前記燃料噴射器（４３）によって水素燃料を複数回噴射することを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記予燃焼室（４１）内へ噴射された前記水素燃料を点火するときに、前記予燃焼室（４１）内の空気／水素燃料比λが０．２５≦λ≦０．４の範囲内になるように、前記予燃焼室（４１）内に導入される水素燃料の量が選択される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記予燃焼室（４１）へ噴射された前記水素燃料を点火するときに、前記予燃焼室（４１）内の空気／水素燃料比λが１．４≦λ≦２．５の範囲内になるように、前記予燃焼室（４１）内に導入される水素燃料の量が選択される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する前記工程は、前記予燃焼室（４１）に水素燃料を導入する前記工程の間、前記予燃焼室（４１）に導入された前記水素燃料の点火まで、前記予燃焼室（４１）内の前記空気／水素燃料比λが１．４≦λに維持されるように実施される、請求項１０記載の方法。
12. 少なくとも１つのシリンダ（２）と、主燃焼室（２１）を画定する前記シリンダ（２）内で往復運動を繰り返すためのクランクシャフト（５）に支持されたピストン（３）とを備えた水素燃料内燃機関（１）であって、
    前記水素燃料内燃機関（１）は、いずれも予燃焼室（４１）に配置された点火部（４２）および水素燃料噴射器（４３）を有し且つ前記シリンダ（２）内に配置された点火装置（４）をさらに備え、
    前記予燃焼室（４１）は、前記予燃焼室（４１）と前記主燃焼室（２１）との間に流体連通を提供するための複数の開口（４４）を有し、
    請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法によって作動される、水素燃料内燃機関（１）。

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