JP2762301B2

JP2762301B2 - 内燃機関の燃料供給装置

Info

Publication number: JP2762301B2
Application number: JP1173367A
Authority: JP
Inventors: 仙幸栗原
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1989-07-05
Filing date: 1989-07-05
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JPH0337367A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の属する技術分野］この発明は、水素燃料を運転状態に応じて供給する内
燃機関の燃料供給装置に関する。

［従来の技術］内燃機関においては、水素を燃料として使用するもの
が知られている。この内燃機関の燃料供給装置として、
例えば特開昭63−246460号公報に示すように、燃焼室に
水素を直接噴射する直接噴射経路と、水素を吸気空気と
一緒に吸気弁から吸入させる予混合経路を備えたものが
ある。

［発明が解決しようとする課題］かかる内燃機関では、高負荷時に高出力を得るように
水素を多く供給する必要があるため、高負荷時には水素
の占める体積が多くなり、空気吸入量を多くできない。
このため、高負荷時には燃焼温度が高くなり、NOxが増
加すると共に、水素の占める体積が多くなって空気の量
を多くできないため、水素の着火性の良さを生かして混
合気を薄くできず、燃費向上に改善の余地があった。

このため、吸気通路に吸気を過給するコンプレッサを
設けてより多くの空気を供給することが考えられるが、
しかし予混合経路を備えたものにおいては空気に代えて
水素もコンプレッサにより圧縮することになるために、
大型のコンプレッサが必要になったり、吸気が圧縮によ
り高温になるために逆火が生じる等の不具合が生じる。

４この発明は、これらの実情に鑑みてなされたもの
で、NOxの低減、燃費向上及びコンプレッサの小型化、
さらには逆火防止を可能とする内燃機関の燃料供給装置
を提供することを目的している。

［課題を解決するための手段］前記課題を解決するために、この発明は、燃焼室に水
素を直接噴射する直接噴射経路と、吸気通路に水素を供
給する予混合経路とを備える内燃機関の燃料供給装置に
おいて、前記吸気通路に吸入空気を圧縮するコンプレッ
サを設け、このコンプレッサの上流に前記予混合経路か
ら水素を供給すると共に、前記直接噴射経路にエンジン
回転数に応じて水素の最大流量を変化させるリミッタを
設け、前記燃焼室に吸気通路からの予混合ガスを先に供
給し、その次に水素を前記直接噴射経路から直接噴射さ
せるように構成され、アイドリングを除く運転領域で、
前記直接噴射経路による水素供給量を、前記予混合経路
による水素供給量より多くする流量制御手段を備えるこ
とを特徴としている。

［作用］この発明では、吸気通路に設けたコンプレッサで吸入
空気を圧縮し、直接噴射経路に設けたリミッタで、エン
ジン回転数に応じて水素の最大流量を変化させる。この
ため、全ての回転域において制御された水素に見合った
多くの空気をコンプレッサにより供給することができ、
稀薄燃焼が可能になる。

また、燃焼室に吸気通路からの予混合ガスを先に供給
し、その次に水素を直接噴射経路から直接噴射させるか
ら、予混合された吸気が燃焼室内に入って、ある程度ス
ワールをつくり、よく混合されていて、かつそこへ直接
噴射するから引用例より混合が良く水素と空気との混合
が促進されて燃焼効率が向上する。

そして、アイドリングを除く運転領域では、直接噴射
経路による水素供給量が、予混合経路による水素供給量
より多いため、小型のコンプレッサで吸気空気を圧縮す
ることができる。

さらに、高負荷時には吸気通路に高温になりがちであ
るが、吸気通路に供給される水素の濃度を低く抑え、逆
火を防止できる。

［実施例］以下、この発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に
説明する。

第１図はこの発明の内燃機関の燃料供給装置の全体構
成図、第２図は燃料供給装置の吸気系と排気系の断面
図、第３図はシリンダヘッドの底面図、第４図は弁開閉
時期を示す図、第５図及び第６図はカムダイヤグラム、
第７図は水素流量とエンジン回転数との関係を示す図で
ある。

図において、符号１は水冷式の内燃機関で、図示しな
いクランクケースに載置されたシリンダブロック２には
シリンダヘッド３が取付けられ、このシリンダヘッド３
にヘッドカバー４が設けられている。シリンダブロック
２、シリンダヘッド３及びピストン５で燃焼室６が画成
され、さらにシリンダヘッド３には点火プラグ７が設け
られている。この点火プラグ７はコンピュータ８によっ
て、所定のタイミングでスパークするようになってお
り、燃焼室６で圧縮された混合気に着火する。

ピストン５はコンロッド９を介してクランク軸10と連
結され、このピストン５の往復運動でクランク軸10を回
転させるようになっており、クランク軸10の回転はエン
ジン回転数検出センサ11で検出され、エンジン回転数情
報をコンピュータ８に送出される。

シリンダヘッド３には中央部に点火プラグ７が取付け
られ、吸気系12と排気系13とが備えられている。シリン
ダヘッド３には第１図及び第２図に示すように、燃焼室
６を臨むように吸気通路14の開口部14a,14bが２個に分
岐して形成され、また排気通路15の開口部15aが１個形
成され、さらに水素供給通路16の開口部16aが１個それ
ぞれ形成され、これらの開口部14a,14b,15a,16aには吸
気弁17a,17b、排気弁18及び水素弁19が設けられてい
る。

これらの吸気弁17a,17b、排気弁18及び水素弁19は第
４図に示すような弁開閉時期で作動し、第５図または第
６図のカムダイアグラムで示すように作動する吸気カム
20,21、排気カム22及び水素カム23で得られる。吸気カ
ム20,21の開作動で吸気弁17a,17bが開き燃焼室６に吸気
通路14からの予混合ガスを先に供給し、その次に水素カ
ム23の開作動で水素弁19が開き水素を素供給通路16から
直接噴射させるから、予混合された吸気が燃焼室内に入
って、ある程度スワールをつくり、よく混合されてい
て、かつそこへ直接噴射するから引用例より混合が良く
水素と空気との混合が促進されて燃焼効率が向上する。

第５図のカムダイアグラムでは、吸気弁17aの開閉用
吸気カム20が吸気弁17bの開閉用吸気カム21より、僅か
に開閉する移動ストローク（リフト量）が長く、しかも
早く開き、遅く閉じるようになっている。また、第６図
のカムダイヤグラムは、吸気弁17aの開閉用吸気カム20
が吸気弁17bの開閉用吸気カム21より、僅かに開閉する
移動ストロークが長い点は第５図のものと同じである
が、吸気カム20の閉じ時期が遅くなっている。

このため、後述の開閉弁29の開閉のいかんにかかわら
ず、開口部14bに比べて開口部14aから、長い期間にわた
って多くの空気が燃焼室６内に供給される。従って、燃
焼室６内には第３図にて矢印で示すスワールが発生する
ため、開口部16aから供給された水素と開口部14bから供
給された空気とが衝突するのを防止し、水素と空気との
混合を促進する。

吸気系12の吸気管24はシリンダヘッド３に接続され、
この吸気管24にはサージタンク25が形成され、さらに上
流側には吸気を冷却するための公知のインタークーラ2
6、エアフロメータ27及びエアクリーナ28が設けられて
いる。

吸気管24はサージタンク25の下流側で、一対の吸気通
路24a,24bに分岐しており、その一方に開閉弁29を備
え、この開閉弁29の下流側で吸気通路24a,24bは合流し
ている。

開閉弁29は第１図に示すように、リンク機構30を介し
てアクチュエータ31のダイヤフラム32と連結され、アク
チュエータ31内に配設されたスプリング33により、常に
閉じる方向に付勢されている。アクチュエータ31内には
ダイヤフラム32により圧力室34が画成され、この圧力室
34は配管35を介して吸気管24に接続され、電磁弁36の弁
体36aをスプリング36bに抗して開くと、圧力室34内が正
圧になる。これにより、アクチュエータ31のダイヤフラ
ム32がスクリング33に抗して押され、リンク機構30を介
して開閉弁29を作動させることができるようになってい
る。

開閉弁29は低回転域では閉じており、他方の吸気通路
24aからのみ空気を供給し、所定のエンジン回転数以上
になると、電磁弁36を駆動してアクチュエータ31を作動
させ、高回転域では開閉弁29を開き、一対の吸気通路24
a,24bから空気を供給する。

吸気管24のサージタンク25内には温度センサ37が設け
られ、吸気空気の温度情報をコンピュータ８へ送られ、
またエアフロメータ27には空気の吸入量を検出する吸入
量検出センサ38が設けられ、空気吸入量情報をコンピュ
ータ８に入力するようになっている。

シリンダヘッド２の排気通路15には排気管39が接続さ
れ、この排気管39の先端には排気温度センサ40が設けら
れ、この排気温度センサ40からの排気温度情報はコンピ
ュータ８に送られる。

吸気系12と排気系13との間にはターボ過給機41が配設
され、ターボ過給機41のコンプレッサ42は吸気管24のコ
ンプレッサ室43に配置され、排気タービン44は排気管39
のタービン室45に配置されている。

ターボ過給機41のコンプレッサ42及び排気タービン44
は軸受ホルダ46内に支承される回転軸47により一体回転
できるように連結され、排気ガスが排気タービン44を通
過する際、排気エネルギーで回転軸47を回転してコンプ
レッサ42を駆動し、吸入空気を加圧する。

排気管39で形成される排気通路Ａにはタービン室45の
入口側45aと出口側45bとを連絡するバイパス通路48が形
成され、このバイパス通路48には開閉弁49が設けられて
いる。

この開閉弁49はリンク機構50を介してアクチュエータ
51のダイヤフラム52と連結され、アクチュエータ51内に
配設されたスプリング53により、常に閉じる方向に付勢
されている。アクチュエータ51内にはダイヤフラム52に
より圧力室54が画成され、この圧力室54は過給圧取出配
管55によりコンプレッサ室43の吐出側43aと接続され、
圧力室54内に過給圧が作用するようになっている。

従って、バイパス通路48の開閉弁49はその圧力室54に
作用する過給圧が所定圧以上、即ちスプリング53の弾発
力よりも大きくなった際にダイアフラム52がスプリング
53に抗して移動し、開閉弁49を開く。このため、排気ガ
スが排気タービン44をバイパスしてバイパス通路48から
放出され、ターボ過給機41の駆動が抑制され、それ以上
の過給圧の上昇が規制される。

また、アクチュエータ51の圧力室54は配管56、電磁弁
57及び配管58を介してコンプレッサ42の吸入側43bに接
続され、加速時に電磁弁57の弁体57aをスプリング57bに
抗して開いて、圧力室52を吸気通路Ｂのコンプレッサ42
の吸入側43bと連通させる。このため、ダイヤフラム52
がスプリング53に抗して移動することを規制しており、
コンプレッサ42の過給圧が直ちに圧力室54に作用される
ことを規制し、加速過渡状態で過給圧を高く保持し、加
速性能が向上する。

シリンダブロック２には水温センサ59が設けられ、冷
却水の温度情報をコンピュータ８に送られる。また、ノ
ックセンサ60がシリンダブロック２に設けられ、ノッキ
ングが発生するとすぐにノックセンサ60が振動を感知し
て点火タイミングを遅くして、ノッキングの発生を防止
するようになっている。

内燃機関１に燃料供給装置Ｃが備えられ、この燃料供
給装置Ｃは吸気通路Ｂに水素を供給する予混合経路Ｄ
と、燃焼室６に水素を直接噴射する直接噴射経路Ｅとを
備えている。水素ボンベ61には水素が圧縮されて貯溜さ
れており、この水素は例えば水素吸蔵合金で内蔵しても
よい。水素ボンベ61からの水素は供給パイプ62で出力さ
れ、緊急停止弁63を介して減圧弁64で所定の圧力に減圧
される。この減圧された水素は分岐パイプ65,66で２方
向へ分岐し、一方の分岐パイプ65からの水素は停止弁67
及び低圧調整弁68を介して、コンプレッサ42の上流側に
設けられたベンチュリ80に供給される。水素ボンベ61か
らベンチュリ80までの経路が、吸気通路Ｂに水素を供給
する予混合経路Ｄを構成しており、ベンチュリ80は予混
合経路Ｄから供給される水素と空気との混合気であり、
予混合経路Ｄから通過する空気の量に応じた水素が供給
されるので、吸気通路14中には水素が過剰に供給される
ことはない。

他方の分岐パイプ66からの水素はリミッタ69、アクセ
ル弁70及び停止弁71を介して、シリンダヘッド３に形成
した水素供給通路16の開口部16aから燃焼室６へ供給さ
れ、水素ボンベ61から燃焼室６までの経路が、燃焼室６
に水素を直接噴射する直接噴射経路Ｅを構成している。
直接噴射経路Ｅと予混合経路Ｄとは水素ボンベ61から両
経路の分岐部までが共用されている。リミッタ69は分岐
部の上流側に位置するように直接噴射経路Ｅに設けれ
る。

リミッタ69は電子ガバナで構成され、エンジン回転数
で弁体69aが作動して、エンジン回転数に応じて水素の
最大流量を増加させると共に、後述のアクセル弁70が全
開状態において、そのエンジン回転数における最大流量
を流せるようになっており、流量制御手段を構成してい
る。

即ち、第７図において、曲線Q1は予混合経路Ｄから供
給される水素の最大流量を示し、曲線Q2は直接噴射経路
Ｅと予混合経路Ｄから供給される水素の最大流量の和を
示しており、リミッタ69は直接噴射経路Ｅによる水素供
給量が、予混合経路Ｄによる水素供給量よりも多くなる
ように、直接噴射経路Ｅを流れる水素の最大流量を制御
し、曲線Q2と曲線Q1との差が直接噴射経路Ｅによる水素
の最大流量である。

なお、流量制御手段はリミッタ69に限られるものでは
なく、停止弁67、低圧調整弁68及び分岐パイプ65,66で
も構成することができる。即ち、停止弁67及び低圧調整
弁68の制御や分岐パイプ65の径を分岐パイプ66の径より
も細かくすることにより、予混合経路Ｄを流れる水素の
量を制限し、直接噴射経路Ｅによる水素供給量が予混合
経路Ｄによる水素供給量よりも多くなるようにすること
もできる。

また、例えば第７図に示すように、エンジン回転数に
応じて水素流量Ｑを増加させることができ、この第７図
に示すように、最大馬力が得られるエンジン回転数f1の
前のエンジン回転数f2で水素の供給を軽減して停止する
ように水素の供給量を制御すると、吸気管24には空気の
みが流れることから空気がエンジン回転数に応じた最大
流量となり、第８図に示すように、エンジン回転数f1に
て最大馬力を得ることができる。

また、アクセル弁70はアクセル操作によって弁体70a
が作動し、弁開度が調整される。

このアクセル弁70は、そのエンジン回転数において直
接噴射経路Ｅを流れる水素の最大流量の範囲内で、エン
ジン負荷に応じて水素の流量を変化させる。例えば、ア
クセル弁70が全開になる全負荷状態において最大流量を
流し、1/2負荷では最大流量の1/2を流している。このよ
うに流量とエンジン負荷を比例させてもよいが、必ずし
もその必要はない。

このように、予混合経路Ｄの吸気通路Ｂに吸入空気を
圧縮するコンプレッサ42を設け、直接噴射経路Ｅにエン
ジン回転数に応じて水素の最大流量を変化させるリミッ
タ69を設け、これらによって全ての回転域において制御
された水素量に見合った多くの空気をコンプレッサによ
り供給する。これにより、稀薄燃焼が可能になるため、
NOxが低減されると共に、燃費が向上する。

また、燃料供給装置Ｃはアイドリングを除く運転領域
で、直接噴射経路Ｅによる水素供給量を、予混合経路Ｄ
による水素供給量より大きく設定されており、アイドリ
ング時には予混合経路Ｄから燃焼室６に水素を供給する
ようになっている。このため、コンプレッサ42により圧
縮すべき水素量を減らすことができるために、コンプレ
ッサ42の小型化が可能である。さらに、吸気通路Ｂが高
温となりがちな高回転時に吸気通路Ｂに供給される水素
の濃度を低く抑えることができ、逆火を防止が可能とな
る。

また、予混合経路Ｄがインタークーラ26の上流に接続
されているために、インタークーラ26内を、空気に比べ
て熱伝導の良い水素が流れることになり、加圧された吸
入空気の冷却性が向上する。従って、インタークーラ26
を小型化できる。

［発明の効果］前記のように、この発明は、吸気通路に吸入空気を圧
縮するコンプレッサを設けると共に、リミッタで、直接
噴射経路にエンジン回転数に応じて水素の最大流量を変
化させ、全ての回転域において制御された水素量に見合
った多くの空気をコンプレッサにより供給するから、希
薄燃焼が可能になり、NOxが低減されると共に燃費が向
上する。

また、アイドリングを除く運転領域では、直接噴射経
路による水素供給量を予混合経路による水素供給量より
多くするから、コンプレッサにより圧縮すべき水素ガス
の量が減らせるために、コンプレッサの小型化が可能に
なる。さらに、吸気通路が高温となりがちな高回転時に
吸気通路に供給される水素の濃度が低く抑えられ、逆火
を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の内燃機関の燃料供給装置の全体構成
図、第２図は燃料供給装置の吸気系と排気系の断面図、
第３図はシリンダヘッドの底面図、第４図は弁開閉時期
を示す図、第５図及び第６図はカムダイヤグラム、第７
図は水素流量とエンジン回転数との関係を示す図、第８
図は馬力とエンジン回転数との関係を示す図である。図面において、符号１は内燃機関、６は燃焼室、８はコ
ンピュータ、12は吸気系、13は排気系、24は吸気管、39
は排気管、41はターボ過給機、42はコンプレッサ、44は
排気タービン、69はリミッタ（流量制御手段）、Ａは排
気通路、Ｂは吸気通路、Ｃは燃料供給装置、Ｄは予混合
経路、Ｅは直接噴射経路である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室に水素を直接噴射する直接噴射経路
と、吸気通路に水素を供給する予混合経路とを備える内
燃機関の燃料供給装置において、前記吸気通路に吸入空
気を圧縮するコンプレッサを設け、このコンプレッサの
上流に前記予混合経路から水素を供給すると共に、前記
直接噴射経路にエンジン回転数に応じて水素の最大流量
を変化させるリミッタを設け、前記燃焼室に吸気通路か
らの予混合ガスを先に供給し、その次に水素を前記直接
噴射経路から直接噴射させるように構成され、アイドリ
ングを除く運転領域で、前記直接噴射経路による水素供
給量を、前記予混合経路による水素供給量より多くする
流量制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の燃料
供給装置。