JP3153635B2 - 気体燃料エンジンの燃料供給装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素ガス等の気体燃料
を用いる気体燃料エンジンの燃料供給装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、水素ガス等の可燃性気体を燃料と
して使用する気体燃料エンジンが開発されつつあるが、
気体燃料を用いる場合、その容積率がガソリンと比べて
格段に大きく、また、水素ガス等はガソリンと比べて燃
焼速度が速い等、特有の事情があることから、空気吸入
量の確保、気体燃料供給量のコントロール、バックファ
イア防止等の面で、対策が必要となる。

【０００３】従来のこの種の気体燃料エンジンとして、
例えば特公昭５８−３６１７２号公報に示されているも
のでは、空気吸入用の通路と水素ガス供給用の通路とを
別個に形成してそれぞれに吸気弁および水素供給弁を設
けるとともに、吸気弁を下死点で閉じる一方、水素供給
弁を下死点で開いて、両者の開弁期間がラップしないよ
うにすることにより、容積率の大きい水素ガスが空気の
吸入を妨げることのないようにしつつ、水素供給弁が開
いている間に、シリンダ内圧より高い圧力で水素ガスを
燃焼室に送り込むようにしている。そして、運転状態に
応じて上記水素供給弁の開弁期間を変えることにより水
素ガスの供給量をコントロールするようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の気体燃料エンジ
ンでは、燃料供給量制御の精度、および信頼性の面で改
善すべき点が残されているとともに、アフタバーン等の
不適正な燃焼を防止するための対策の面でも、課題が残
されていた。

【０００５】すなわち、上記公報に示されているような
水素供給弁の開弁期間の制御では、高精度に燃料供給量
を制御することが難しく、燃料制御の精度を高めるため
には、気体燃料をエンジン側へ導く通路の途中に、燃料
の流量を調整する流量調整弁を設けることが考えられ
る。上記流量調整弁としては、制御信号に応じてステッ
プモータなどの電気的アクチュエータで弁体を作動する
電気式流量調整弁が精度的には好ましい。ただし、断線
等の故障時に燃料コントロール不能となり、信頼性の面
で改善が望まれる。

【０００６】また、上記流量調整弁で燃料流量を調整す
る場合に、アクセルペダルが非操作状態に有るアイドル
運転時にもエンジンのアイドル回転を維持するための燃
料が与えられるような流量調整状態とする必要があり、
とくにこの場合に安定した燃料供給が望まれる。一方、
エンジンの停止時に流量調整弁がアイドル運転時と同様
の状態にあると、不必要に気体燃料が燃焼室に流入し、
これが排気系に漏れてアフターバーンを生じるというよ
うな問題がある。なお、この問題の対策として、キーオ
フ時に電磁弁によって燃料供給を遮断することが考えら
れるが、これだけでは、例えばアイドル運転中等にエン
ストによりエンジンが停止した場合には燃料供給が遮断
されず、燃料遮断機能の確実性が充分でない。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑み、流量調整弁
による燃料流量調整の信頼性を高めるとともに、アイド
ル運転時に安定した燃料供給を行なうことができ、しか
も、エンジン停止時に、確実に燃料供給を遮断してアフ
タバーン等の不正燃焼を防止することができる気体燃料
エンジンを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、気体燃料を燃料供給通路を通してシリンダ
に供給するようにした気体燃料エンジンにおいて、上記
燃料供給通路に、アクセル操作部に連動する機械式流量
調整弁を設け、かつ、この流量調整弁を、アクセル操作
部が非操作状態のときに気体燃料の流通を遮断する全閉
状態となりアクセル操作部の操作に伴って開作動される
ように構成する一方、この流量調整弁をバイパスするバ
イパス通路を設け、このバイパス通路に、吸気通路内に
負圧が発生したときにのみその負圧に応じて開く開閉弁
を設け、さらに上記燃料供給通路に、制御信号によって
作動される電気式流量調整弁を、上記機械式流量調整弁
と直列に配置し、この電気式流量調整弁のアクセル操作
量に応じた開度特性を、所定アクセル操作量以上の領域
で機械式流量調整弁よりも小さい開度となるように設定
したものである。

【０００９】

【００１０】さらに、上記燃料供給通路に、エンジン運
転停止時にこの通路の燃料流通を遮断するカットバルブ
を設けることが好ましい。

【００１１】

【作用】上記の構成によると、アクセルペダル等のアク
セル操作部が操作されると、それに連動して機械式流量
調整弁が作動し、気体燃料の流通を調整する。そして、
アクセルペダルが非操作状態でエンジンが回転している
アイドル運転時には、機械式流量調整弁は全閉となるが
バイパス通路が開通することにより、一定の燃料が供給
される。一方、エンジンが停止したときは、バイパス通
路も閉じられ、シリンダ側への気体燃料の流通が遮断さ
れる。

【００１２】また、所定アクセル操作量以上の領域で機
械式流量調整弁よりも小さい開度となるように開度特性
を設定した電気式流量調整弁を設けていることにより、
正常時は主に電気式流量調整弁により気体燃料の流量が
調整され、この電気式流量調整弁の故障時などに機械式
流量調整弁が働く。

【００１３】エンジン運転停止時に燃料供給通路の燃料
流通を遮断するカットバルブを設けておくと、運転停止
後にアクセルペダルが踏み込まれた場合等にも燃料遮断
状態が確保される。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施例による燃料供給装置を備えた気
体燃料エンジンの全体構造を示しており、当実施例のエ
ンジンはロータリピストンエンジンである。また、当実
施例では、気体燃料として水素ガスが用いられている。

【００１５】ロータリピストンエンジンは、ロータハウ
ジング１とその両側に位置するサイドハウジングとによ
り構成されたシリンダを有し、その内方に、３つの作動
室２を隔成する略三角形状のロータ３を備え、このロー
タ３が偏心軸４に支承されて偏心回転することにより、
各作動室２が容積変化し、オットーサイクルを行うよう
になっている。２ロータのロータリピストンエンジンに
あっては、中間位置のサイドハウジング（インタミディ
エイトハウジング）を挾んでその前後にシリンダが形成
され、それぞれの内方にロータ３が配置されている。図
１では作図の便宜上、２つのシリンダを展開して示して
いる。

【００１６】サイドハウジングには、空気を供給する吸
気ポート６が、吸気行程の作動室２に臨む位置に設けら
れている。この吸気ポート６には吸気通路７を介して空
気が導かれ、この吸気通路７には、ステップモータ９に
よって作動されるスロットル弁８が設けられるととも
に、図外のエアクリーナ、吸入空気量検出のためのエア
フローメータ等が配設されている。また、排気行程の作
動室２に臨む位置においてロータハウジング１には排気
ポート１１が形成され、この排気ポート１１に排気通路
１２が接続されている。爆発行程の作動室に臨む位置に
おいてロータハウジング１には、点火プラグ１３が取付
けられている。

【００１７】また、加圧された水素ガスをシリンダ内に
供給するため、上記吸気ポート６とは別個に作動室２内
に開口する水素ポート（気体燃料供給用のポート）１５
を有し、この水素ポート１５は、吸気行程途中から圧縮
行程途中まで作動室２に開口するような位置に設けられ
ている。この水素ポート１５に対し、メタルハイドライ
ドタンク（以下ＭＨタンクという）１６からの水素ガス
を導く燃料供給通路１７が設けられている。上記ＭＨタ
ンク１６は、その内部に水素を吸蔵、放出することので
きる水素吸蔵合金を備えており、このＭＨタンク１６に
対し、水素充填用の通路、冷却水通路および加熱水通路
（図示省略）が配設され、エンジンウォータジャケット
から供給される冷却水でＭＨタンク１６の水素吸蔵合金
が加熱されることにより、水素が燃料供給通路１７に放
出されるようになっている。

【００１８】上記燃料供給通路１７の上流部には圧力調
整器１８が設けられ、この圧力調整器１８は、ＭＨタン
ク１６から供給される水素ガスを適度の圧力に調圧し、
例えば略５気圧（３〜７気圧）に調圧するようになって
いる。また、燃料供給通路１７の下流端部はタイミング
弁２０を介して上記水素ポート１５に接続されている。
このタイミング弁２０は、エンジンの作動と同期して所
定タイミングで燃料供給を行うもので、例えば、上記水
素ポート１５と燃料供給通路１７との間の連通部分を開
閉するポペット弁２１を有し、このポペット弁２１がタ
イミング弁駆動用カムシャフト２２に設けられたカムに
より開閉作動される。上記カムシャフト２２は、ハウジ
ングに回転可能に支承されるとともに、その一端側に具
備されたプーリ２３がタイミングベルト２４を介して偏
心軸４に連繋されることにより、偏心軸４と同期回転す
るようになっている。

【００１９】そして、吸気ポート６が上死点付近で開か
れて下死点付近で閉じられるように、ロータ３の回転に
伴う吸気ポート開閉のタイミングが設定される一方、タ
イミング弁２０は、吸気ポート６が閉じた後の圧縮行程
前半の所定期間に開かれるように、その開閉タイミング
が設定されている。このように吸気ポート６が閉じて空
気の吸入が終了した時点からタイミング弁２０が開かれ
て水素ガスの供給が開始されるようにしているのは、も
し空気吸入行程中に容積率の大きい水素ガスが吸入され
ると、空気の流入が阻害され易くなるとともに、吸気通
路側への水素ガスの流出によるバックファイアが生じる
懸念があるためである。

【００２０】上記燃料供給通路１７の途中には、機械式
流量調整弁３０、バイパス通路３３、開閉弁３４、電気
式流量調整弁３６およびカットバルブ３８が配設されて
おり、これら対する駆動、制御系統は図２のようになっ
ている。

【００２１】図１，図２に示すように、上記機械式流量
調整弁３０は、アクセルワイヤ３１等を介してアクセル
ペダル（アクセル操作部）３２に連結され、アクセルペ
ダル３２が踏み込まれていない非操作状態のときに気体
燃料の流通を遮断する全閉状態となり、アクセルペダル
３２が踏み込まれるとそれに伴って開作動する。上記バ
イパス通路３３は、機械式流量調整弁３０の弁体をバイ
パスするように形成され、アイドル時の要求燃料を流通
させる程度に通路面積が設定されている。このバイパス
通路３３に設けられた開閉弁３４は、スロットル弁８の
下流の吸気通路内の圧力を導入する負圧応動式のアクチ
ュエータ３５により作動され、スロットル弁８下流の吸
気通路内に所定値以上の負圧が発生したときに開き、負
圧が所定値より小さいとき閉じるようになっている。

【００２２】上記電気式流量調整弁３６は、上記機械式
流量調整弁３０と直列でその下流に配置され、制御信号
に応じて作動する電気的なアクチュエータ、例えばステ
ップモータ３７により作動されるようになっており、こ
のステップモータ３７はコントロールユニット（ＥＣ
Ｕ）４０からの制御信号を受ける。このＥＣＵ４０は、
アクセル開度（アクセルペダルの操作量）を検出するア
クセル開度センサ４１、エンジン回転数を検出する回転
数センサ４２、圧力調整器１８の下流の燃料供給通路１
７内の圧力を検出する圧力センサ４３等からの信号を受
け、ステップモータ９へ出力する制御信号によりスロッ
トル弁８の開度を制御するとともに、ステップモータ３
７へ出力する制御信号により電気式流量調整弁３６の制
御を行なうようになっている。

【００２３】上記電気式流量調整弁３６の制御として
は、アクセル開度等に応じた電気式流量調整弁３６の開
度（もしくはその開度に見合ったステップモータ駆動
量）の特性が予めＥＣＵ４０内のメモリにマップとして
記憶され、ＥＣＵ４０がアクセル開度等の検出信号に応
じて上記マップから読み出した開度に電気式流量調整弁
３６を制御する。そして機械式流量調整弁３０が全閉な
いしこれに近い低開度とされる領域以外である所定アク
セル開度以上の領域で、電気式流量調整弁３６が機械式
流量調整弁３０よりも小さい開度となるように、その開
度特性が設定されている（図３参照）。

【００２４】上記カットバルブ３８は、上記各流量調整
弁３０，３６と直列でこれらよりも下流に配置されてお
り、電磁弁からなり、コントローラ４４に電気的に接続
されている。このコントローラ４４は、バッテリ４５と
カットバルブ３８との間に組み込まれた一対のリレー４
６，４７を有し、キースイッチ４８がスタータスイッチ
ＯＮの状態となったときにディレータイマー４９を介し
て一方のリレー４６がＯＮとされ、イグニッションスイ
ッチＯＮの状態では他方のリレー４７がＯＮとされるよ
うになっている。そして、リレー４６，４７の少なくと
も一方がＯＮのときにカットバルブ３８が通電によって
開かれ、リレー４６，４７がともにＯＦＦとなるエンジ
ン運転停止時にはカットバルブ３８が通電遮断によって
閉じられるようになっている。

【００２５】図４および図５は、上記機械式流量調整弁
３０、バイパス通路３３および開閉弁３４の具体的構造
を示している。上記機械式流量調整弁３０は、ケーシン
グ５１内に、図の上下方向に移動可能な弁部材５２を備
え、この弁部材５２の上端部にアクセルワイヤ３１が接
続されている。上記ケーシング５１には、燃料供給通路
１７の上流側および下流側にそれぞれ通じる入口通路５
３および出口通路５４と、これらを連通する弁孔５５と
が形成され、また上記弁部材５２の先端部にはテーパー
状周面を有する弁体５２ａが設けられ、この弁体５２ａ
が上記弁孔５５に挿入された状態で、スプリング５６に
より弁部材５２が閉弁方向（図の下方）に付勢されてい
る。そして、非操作時には上記スプリング５６の付勢力
で全閉となり、アクセルペダル３２が踏み込まれるとそ
れにつれて弁部材５２が上方に移動することにより、そ
の移動量に応じた開度に開かれるようになっている。

【００２６】上記バイパス通路３３は、上記入口通路５
３と出口通路５４とを連通するようにケーシング５１に
形成され、また上記開閉弁３４は、その上下動によって
バイパス通路３３を開閉するようにケーシング５１に上
下動可能に取付けられるとともに、リンク等を介して負
圧応動式のアクチュエータ３５に連結されている。この
アクチュエータ３５はダイヤフラム装置からなり、ダイ
ヤフラム５７の片側に負圧導入用の室５８を有するとと
もに、リターンスプリング５９を備え、上記室５８がス
ロットル弁下流の吸気通路に導通管６０を介して接続さ
れている。そして、上記室５８に所定値以上の負圧が導
入されたときにダイヤフラム５７が一定方向に引かれて
開閉弁３４を開き、負圧が所定値より小さくなると上記
リターンスプリング５９により開閉弁３４を閉じるよう
になっている。

【００２７】このような装置によると、エンジン運転中
は上記カットバルブ３８が開状態に保たれ、アクセルペ
ダル３２が踏み込まれたときにはそれに連動して機械式
流量調整弁３０が開作動し、かつ、ＥＣＵ４０からの制
御信号により電気式流量調整弁３６が作動する。この状
態では、上記各流量調整弁３０，３６およびカットバル
ブ３８等を通して水素ガスがエンジンに供給される。そ
して当実施例による場合、所定アクセル開度以上の領域
では電気式流量調整弁３６の方が機械式流量調整弁３０
よりも小さい開度となるように設定されていることによ
り、制御系統が正常である限り、電気式流量調整弁３６
が主に流量調整機能を果たして、高精度に燃料供給量が
制御される。また、制御系統の故障で電気式流量調整弁
３６が正しく作動しなくなったときは、機械式流量調整
弁３０が流量調整機能を果たすことにより、信頼性が確
保される。

【００２８】アイドル運転時には、アクセルペダル３２
が非操作状態となることに伴って上記機械式流量調整弁
３０が全閉となるが、吸気負圧が上記アクチュエータ３
５に作用することによりバイパス通路３３の開閉弁３４
が開状態に保たれ、バイパス通路３３により安定した燃
料流通が行なわれる。

【００２９】また、エンジン停止時には、アクセルペダ
ル３２が非操作状態となることで上記機械式流量調整弁
３０が全閉となるとともに、吸入停止に伴ってスロット
ル弁下流の吸気負圧が消滅することにより、バイパス通
路３３の開閉弁３４が閉状態となる。従ってこの部分で
エンジン側への水素ガスの流通が遮断される。さらに、
エンジンのキースイッチ４８がＯＦＦとされることに応
じてカットバルブ３８が閉じられることにより、エンジ
ン側への水素ガスの流通を遮断する作用がより確実なも
のとなる。つまり、エンジン停止後にアクセルペダル３
２が踏み込まれるようなことがあると、上記機械式流量
調整弁３０が開くが、この場合でもカットバルブ３８に
より水素ガスの流通が遮断される。

【００３０】

【００３１】また、気体燃料としては、上記実施例に示
す水素ガスに限らず、エタン、プロパン、都市ガス等を
用いるものでもよい。

【００３２】また、本発明はロータリピストンエンジン
に限らず、レシプロエンジンにも適用することができ
る。

【００３３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明に係る燃料供給装
置は、燃料供給通路に、アクセル操作部に連動する機械
式流量調整弁を設け、アクセル操作部が非操作状態のと
きにこの機械式流量調整弁が全閉となるようにする一
方、この流量調整弁をバイパスするバイパス通路を設
け、この通路に、吸気通路内に負圧が発生したときにの
み開く開閉弁を設けているため、上記機械式流量調整弁
によって信頼性の高い燃料供給量の調整を行なうことが
できるとともに、アイドル運転時には上記バイパス通路
を通して安定した燃料供給を行なうことができる。その
上、エンジン停止時には、機械式流量調整弁およびバイ
パス通路が閉じて気体燃料の流通を遮断することによ
り、アフターバーン等を防止することができる。

【００３４】さらに、電気式流量調整弁を上記機械式流
量調整弁と直列に配置し、この電気式流量調整弁の開度
特性を、所定アクセル操作量以上の領域で機械式流量調
整弁よりも小さい開度となるように設定しているため、
正常時は上記電気式流量調整弁により燃料の流量を調整
して燃料供給量の制御の精度を高めることができるよう
にしつつ、上記のような機械式流量調整弁による信頼性
の確保等の効果をもたせることができる。

【００３５】さらに請求項２に記載のように、エンジン
運転停止時に燃料流通を遮断するカットバルブを設けて
おくと、運転停止後にアクセルペダルが踏み込まれた場
合等にも燃料遮断状態が確保され、上記アフターバーン
等の防止をより確実に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による気体燃料エンジンの全
体構造の概略図である。

【図２】燃料供給通路の各種バルブ等に対する駆動、制
御系統を示す図である。

【図３】機械式流量調整弁および電気式流量調整弁の各
開度特性を示す図である。

【図４】機械式流量調整弁とバイパス通路および開閉弁
の具体的構造を示す拡大断面図である。

【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

【符号の説明】

１７ 燃料供給通路 ３０ 機械式流量調整弁 ３２ アクセルペダル ３３ バイパス通路 ３４ 開閉弁 ３５ アクチュエータ ３６ 電気式流量調整弁 ３７ ステップモータ ３８ カットバルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３０１ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３０１Ｊ ３０１Ｒ (72)発明者 門田 宏 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−129156（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−3724（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 43/10 F02D 11/10 F02M 21/02 F02M 21/02 301

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体燃料を燃料供給通路を通してシリン
   ダに供給するようにした気体燃料エンジンにおいて、上
   記燃料供給通路に、アクセル操作部に連動する機械式流
   量調整弁を設け、かつ、この流量調整弁を、アクセル操
   作部が非操作状態のときに気体燃料の流通を遮断する全
   閉状態となりアクセル操作部の操作に伴って開作動され
   るように構成する一方、この流量調整弁をバイパスする
   バイパス通路を設け、このバイパス通路に、吸気通路内
   に負圧が発生したときにのみその負圧に応じて開く開閉
   弁を設け、さらに上記燃料供給通路に、制御信号によっ
   て作動される電気式流量調整弁を、上記機械式流量調整
   弁と直列に配置し、この電気式流量調整弁のアクセル操
   作量に応じた開度特性を、所定アクセル操作量以上の領
   域で機械式流量調整弁よりも小さい開度となるように設
   定したことを特徴とする気体燃料エンジンの燃料供給装
   置。
2. 【請求項２】 上記燃料供給通路に、エンジン運転停止
   時にこの通路の燃料流通を遮断するカットバルブを設け
   た請求項１記載の気体燃料エンジンの燃料供給装置。