JP3278225B2 - 気体燃料エンジン - Google Patents

気体燃料エンジン

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JP3278225B2
JP3278225B2 JP02407693A JP2407693A JP3278225B2 JP 3278225 B2 JP3278225 B2 JP 3278225B2 JP 02407693 A JP02407693 A JP 02407693A JP 2407693 A JP2407693 A JP 2407693A JP 3278225 B2 JP3278225 B2 JP 3278225B2
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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料として水素ガス等
の気体燃料を使用する気体燃料エンジンに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】一般に、自動車用エンジンの燃料として
は、ガソリン等の常温で液体である炭化水素系燃料が従
来より多用されている。しかしながら、ガソリン又は軽
油を燃料とする普通のエンジンにおいては、ＣＯ2、Ｃ
Ｏ、ＨＣ、ＮＯx等の種々の大気汚染物質が排出される
といった問題がある。そこで、近年、燃焼時にＣＯ2、
ＣＯ及びＨＣが全く発生しない水素ガスを燃料とし、あ
るいは燃焼によるＣＯ2、ＣＯ及びＨＣの発生量が少な
いメタンガス、エタンガス等を燃料とする気体燃料エン
ジンが提案されている。
【０００３】しかしながら、かかる気体燃料エンジンに
おいては、気体燃料の密度がガソリン等の液体燃料に比
べて非常に小さいので、普通のガソリンエンジンのよう
に吸気通路に燃料を供給して混合気を形成し、この混合
気を燃焼室(往復ピストンエンジンの場合)あるいは作動
室(ロータリピストンエンジンの場合)に供給するといっ
た燃料供給手法いわゆる予混合燃料供給方式では、吸気
充填効率を十分に高めることができず、エンジン出力の
向上が十分には図られないといった問題がある。
【０００４】そこで、気体燃料を直接燃焼室に供給でき
る燃料供給手段を設け、吸気行程終期から圧縮行程前期
にかけて、すなわち燃焼室内に十分な空気が充填された
後で燃焼室内に気体燃料を圧入し、充填効率を高めてエ
ンジン出力の向上を図るようにしたいわゆる直噴燃料供
給方式の気体燃料エンジンが提案されている(例えば、
特公平１−２３６５９号公報、特公昭５８−１２４５８
号公報等参照)。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、直噴燃
料供給方式では、燃焼室内で気体燃料と吸入空気とのミ
キシングが行われる時間が非常に短いので、熱効率が低
下して燃費性能が悪くなるといった問題がある。
【０００６】ところで、一般に、ガソリンエンジンにお
いては、吸気通路内の吸入空気にガソリンを噴射する第
１の燃料噴射弁と、燃焼室内にガソリンを噴射する第２
の燃料噴射弁とを設け、運転状態に応じて使用する燃料
噴射弁を使い分けるようにしたものが提案されている
(例えば、特開昭６１−２４４８２１号公報、特開昭６
１−２５０３６４号公報、特開昭５６−１５１２１３号
公報等参照)。すなわち、ガソリンエンジンにおいて
は、混合気の可燃範囲が狭いので、空燃比がリーンに設
定される低負荷時には混合気の着火性が悪くなる。そこ
で、空燃比がリーンになる低負荷時には、第２の燃料噴
射弁から燃焼室内に燃料を噴射して点火プラグまわりに
局所的にリッチな混合気を形成して(成層化)、混合気の
着火性を高めるようにしている。他方、高負荷時には第
１の燃料噴射弁から吸気通路内の吸入空気中にガソリン
を噴射してガソリンと吸入空気のミキシングを促進し、
熱効率を高めてエンジン出力の向上を図るようにしてい
る。
【０００７】そして、かかるガソリンエンジンについて
の従来の知見に鑑みれば、気体燃料エンジンにおいても
予混合燃料供給方式を用いれば熱効率が高められるもの
と考えられる。したがって、気体燃料エンジンにおいて
も、予混合燃料供給方式と直噴燃料供給方式とを使い分
けることによって、あるいは両者を併用することによっ
て充填効率の向上と熱効率の向上とを両立させることが
でき、燃費性能を高めることが可能であると考えられ
る。
【０００８】しかしながら、気体燃料エンジンにおいて
予混合燃料供給方式を用いた場合、通常の燃焼状態では
混合気の燃焼速度がかなり速くなり、このため燃焼温度
が高くなるのでＮＯx発生量が増加するといった問題が
生じる。したがって、気体燃料エンジンにおいて、予混
合燃料供給方式と直噴燃料供給方式とを使い分け、ある
いは併用しようとすれば、ＮＯx発生量の増加の防止あ
るいはＮＯx発生量の低減に十分留意する必要がある。
しかしながら、現時点では、予混合燃料供給方式と直噴
燃料供給方式とを使い分け、あるいは併用する場合にお
けるＮＯx発生量の低減策については何ら有効な手法が
提案されていない。
【０００９】本発明は、上記従来の問題点を解決するた
めになされたものであって、水素ガス等を燃料とする気
体燃料エンジンに対して、充填効率の向上と熱効率の向
上とを両立させて燃費性能を高めることができ、かつＮ
Ｏx発生量を低減することができる有効な手段を提供す
ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達するため
になされた、第１〜第４の発明は、いずれも、少なくと
も一部が水素で構成された気体燃料を筒内に供給する燃
料供給手段と、筒内への空気吸入量と気体燃料供給量の
比率である空燃比を運転状態に応じて変化させる空燃比
制御手段とが設けられた気体燃料エンジンにおいて、燃
料供給手段が、気体燃料を直接筒内に供給する直噴燃料
供給手段と、気体燃料を吸気通路を介して筒内に供給す
る予混合燃料供給手段とで構成され、理論空燃比よりも
リーン側に設定される所定の境界空燃比よりもリッチ側
の空燃比領域では直噴燃料供給手段から筒内に供給され
る気体燃料の割合を相対的に大きく設定する一方、境界
空燃比よりもリーン側の空燃比領域では上記割合を相対
的に小さく設定する燃料供給特性制御手段が設けられて
いることを基本的な特徴とする。
【００１１】そして、第１の発明は、さらに、燃料供給
特性制御手段が、境界空燃比よりもリッチ側の空燃比領
域では直噴燃料供給手段から筒内に供給される気体燃料
の割合を１００％に設定する一方、境界空燃比よりもリ
ーン側の空燃比領域では予混合燃料供給手段から筒内に
供給される気体燃料の割合を１００％に設定するように
なっていることを固有の特徴とする。
【００１２】第２の発明は、さらに、燃料供給特性制御
手段が、理論空燃比よりはリーン側でありかつ境界空燃
比よりはリッチ側に設定される切替空燃比よりもリッチ
側の空燃比領域では直噴燃料供給手段から筒内に供給さ
れる気体燃料の割合を１００％に設定し、切替空燃比と
境界空燃比との間の空燃比領域では上記割合を０％より
は大きく１００％よりは小さい所定の値に設定し、かつ
境界空燃比よりもリーン側の空燃比領域では予混合燃料
供給手段から筒内に供給される気体燃料の割合を１００
％に設定するようになっていることを固有の特徴とす
る。
【００１３】第３の発明は、第１の発明にかかる気体燃
料エンジンにおいて、燃料供給特性制御手段が、境界空
燃比をエンジン回転数にかかわらず一定値に設定するよ
うになっていることを固有の特徴とする。
【００１４】第４の発明は、さらに、燃料供給特性制御
手段が、ＮＯx発生率が最も高くなる最高ＮＯx空燃比領
域では直噴燃料供給手段から筒内に供給される気体燃料
の割合を１００％に設定し、最高ＮＯx空燃比領域より
もリーン側の空燃比領域では空燃比がリーンになる程上
記割合を小さく設定するようになっていることを固有の
特徴とする。
【００１５】第５の発明は、少なくとも一部が水素で構
成された気体燃料を筒内に供給する燃料供給手段と、筒
内への空気吸入量と気体燃料供給量の比率である空燃比
を運転状態に応じて変化させる空燃比制御手段とが設け
られた気体燃料エンジンにおいて、燃料供給手段が、気
体燃料を直接筒内に供給する直噴燃料供給手段と、気体
燃料を吸気通路を介して筒内に供給する予混合燃料供給
手段とで構成され、ＮＯx発生率が最も高くなる最高Ｎ
Ｏx空燃比領域では直噴燃料供給手段から筒内に供給さ
れる気体燃料の割合を１００％に設定し、最高ＮＯx空
燃比領域よりもリーン側の空燃比領域では空燃比がリー
ンになる程上記割合を小さく設定する燃料供給特性制御
手段が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
図１に示すように、２気筒ロータリピストンエンジンＲ
Ｅの各気筒においては、夫々、ケーシング１の側壁をな
すサイドハウジング２の内側面に開口する吸気ポート３
が開かれたときに、独立吸気通路４から各作動室５a,５
b,５c内に空気と水素ガス(気体燃料)とからなる混合気
を吸入し、又は空気を吸入して該空気中に水素噴射ポー
ト５１から水素ガスを噴射して混合気を形成し、この混
合気をロータ６で圧縮した上で点火プラグ７a,７bで点
火して燃焼させ、ケーシング１の周壁をなすロータハウ
ジング８の内周面に開口する排気ポート９が作動室５a,
５b,５cと連通したときに、燃焼ガスを独立排気通路１
０に排出するといったプロセスを繰り返すようになって
いる。これに伴って、ロータ６がその頂部をロータハウ
ジング８のトロコイド内周面に摺接させつつ偏心軸１１
まわりで遊星回転運動をし、この遊星回転運動に伴って
偏心軸１１が回転し、この偏心軸１１の回転がエンジン
ＲＥの出力として取り出されるようになっている。
【００１７】ここで、点火プラグ７a,７bへは、イグナ
イタ１３から印加される電圧によってイグニッションコ
イル１４a,１４bに惹起された高電圧が所定のタイミン
グで印加され、この高電圧によって点火プラグ７a,７b
の電極部に発生する火花で混合気が点火されるようにな
っている。また、両気筒の独立排気通路１０,１０は下
流で１つの共通排気通路１５に集合され、この共通排気
通路１５には排気ガス中のＯ2濃度を検出するＯ2センサ
１６が設けられている。このＯ2センサ１６の出力はア
ンプ１７を介してコントロールユニットＣ(ＥＣＵ)に送
られ、コントロールユニットＣでは、Ｏ2センサ１６の
出力信号から混合気の空燃比(Ａ／Ｆ)すなわち作動室５
a,５b,５c内の混合気における空気と水素の比、ないし
は空気過剰率(λ)が演算されるようになっている。
【００１８】各気筒の作動室５a,５b,５cに燃料燃焼用
の空気を供給するために吸気装置Ａが設けられ、この吸
気装置Ａには、上流端が大気に開口され下流端が両気筒
の独立吸気通路４,４に接続された共通吸気通路２１が
設けられている。そして、共通吸気通路２１には、空気
の流れ方向にみて上流側から順に、吸入空気中のダスト
を除去するエアクリーナ２２と、吸入空気量を検出する
エアフローセンサ２３と、吸入空気温度を検出する温度
センサ２４と、後で説明する水素ミキサ２５と、駆動回
路２７aを備えたエレキスロットル装置２７によって開
閉駆動される空気絞り弁２６と、吸気負圧の有無を検出
するブーストスイッチ２８と、吸気負圧を検出するブー
ストセンサ２９とが設けられている。なお、空気絞り弁
２６に対してそのポジション(開度)を検出するポジショ
ンセンサ３０が設けられている。
【００１９】また、混合気の燃焼温度の過上昇を防止す
るために、吸気装置Ａには排気ポート９内の排気ガスの
一部をＥＧＲガスとして独立吸気通路４に還流させるＥ
ＧＲ通路３１と、ＥＧＲガス量を調節するＥＧＲバルブ
３２とが設けられている。なお、ＥＧＲバルブ３２はコ
ントロールユニットＣによって、第１,第２ソレノイド
３３,３４を介して制御されるようになっている。
【００２０】そして、水素ガスを燃料として作動室５a,
５b,５cに直接的に又は間接的に供給する燃料供給手段
Ｆが設けられている。以下、この燃料供給手段Ｆを説明
する。なお、本実施例では気体燃料として水素ガスを用
いているが、気体燃料は水素ガスに限定されるものでは
なく、少なくとも一部が水素で構成される気体燃料(例
えば、メタン、エタン)であればよい。燃料供給手段Ｆ
には、水素ガス供給源として、水素を吸蔵し又は放出す
ることができる水素吸蔵合金(メタルハイドライド)を備
えたメタルハイドライドタンク４１が設けられている。
水素吸蔵合金は一般に用いられている普通のものであっ
て、冷却しつつ水素ガスと接触させるとこの水素を体積
で１／１０００程度に縮めた上で吸蔵する一方、加熱す
ると吸蔵されていた水素をかなり高い圧力を伴って放出
するといった機能を有している。なお、水素吸蔵合金は
水素を化合物の一部として固体状態で吸蔵しているた
め、メタルハイドライドタンク４１の圧力は低圧であ
り、安全性は非常に高くなっている。また、水素吸蔵合
金は、水素の吸蔵と放出とを多数繰り返しても(例え
ば、１０００回)、その機能はほとんど低下しない。
【００２１】メタルハイドライドタンク４１から放出さ
れた水素ガスは、電磁弁４３が介設された第１水素供給
通路４２を通して圧力調整器４４に送られ、ここで所定
圧(例えば、５kg／cm2・Ｇ)に調整(減圧)されるように
なっている。そして、圧力が調整された水素ガスは、さ
らに第２水素供給通路４５を介してエンジン側に送られ
るようになっている。ここで、第２水素供給通路４５に
は、リンク機構５９を介してアクセルペダル５８と連動
して開閉される第１水素流量調整弁４６と、駆動回路４
８aを備えたスロットルアクチュエータ４８によって開
閉駆動される第２水素流量調整弁４７とが介設されてい
る。なお、第２水素供給通路４５には、３つの圧力セン
サ７０,７１,７２と温度センサ７３とが設けられてい
る。
【００２２】ここで、第２水素流量調整弁４７は、後で
説明するように、コントロールユニットＣからの信号に
従って、空燃比(空気過剰率)がアクセル開度とエンジン
回転速度とに応じて設定される目標空燃比(目標空気過
剰率)に追従するように、水素ガスの流量を制御するよ
うになっている。なお、コントロールユニットＣは、特
許請求の範囲に記載された「空燃比制御手段」と「燃料供
給特性制御手段」とを含む、エンジンＲＥの総合的な制
御装置である。このように、水素ガスの流量制御、すな
わち空燃比制御は基本的には第２水素流量調整弁４７に
よって行われ、この第２水素流量調整弁４７がフェイル
したとき等においては、第１水素流量調整弁４６によっ
てバックアップされるようになっている。
【００２３】第２水素流量調整弁４７より下流側におい
て第２水素供給通路４５には第１電磁制御弁４９が介設
され、この第１電磁制御弁４９のすぐ下流で第２水素供
給通路４５は、各気筒に対して個別に設けられる２つの
直噴用水素供給通路５０,５０に接続されている。そし
て、各直噴用水素供給通路５０の下流端は、夫々、各気
筒のロータハウジング８の内周面に開口する水素噴射ポ
ート５１に接続されている。さらに、水素噴射ポート５
１を開閉する水素噴射弁５２が設けられ、この水素噴射
弁５２は、圧縮行程初期に所定のタイミングで開弁さ
れ、このとき直噴用水素供給通路５０内の水素ガスが、
水素噴射ポート５１を介して作動室５a,５b,５cに噴射
(圧入)されるようになっている。なお、直噴用水素供給
通路５０、水素噴射ポート５１、水素噴射弁５２等から
なる水素供給系統は、特許請求の範囲に記載された「直
噴燃料供給手段」に相当する。
【００２４】詳しくは図示していないが、水素噴射弁５
２は、カムシャフトに取り付けられたカム８０によって
開閉されるようになっている。なお、カムシャフトは、
タイミングベルト８１を介して偏心軸１１によってこれ
と同期して回転駆動されるようになっている。図２に、
かかる吸気ポート３の開閉タイミング(Ｇ1)と、水素噴
射弁５２の開閉タイミング(Ｇ2)と、水素噴射ポート５
１の開閉タイミング(Ｇ3)とを示す。
【００２５】さらに、第２水素流量調整弁４７よりは下
流でありかつ第１電磁制御弁４９よりは上流となる位置
において第２水素供給通路４５には予混合用水素供給通
路５５の上流端が接続され、この予混合用水素供給通路
５５の下流端は前記した水素ミキサ２５に接続されてい
る。そして、この予混合用水素供給通路５５には第２電
磁制御弁５６が介設されている。なお、水素ミキサ２
５、予混合用水素供給通路５５等からなる水素供給系統
は、特許請求の範囲に記載された「予混合燃料供給手段」
に相当する。
【００２６】ここにおいて、第１電磁制御弁４９と第２
電磁制御弁５６とは、コントロールユニットＣから印加
される信号に従って、バッテリ６１、キースイッチ６
２、ディレータイマ６３、第１〜第５リレーＬ1〜Ｌ5等
からなる電気回路を介して開閉駆動されるようになって
いる。より具体的には、第１,第２電磁制御弁４９,５６
は、コントロールユニットＣによって、空燃比(空気過
剰率)に応じて開閉されるようになっている。
【００２７】ここで、第１電磁制御弁４９が開かれる一
方、第２電磁制御弁５６が閉じられたときには、第２水
素供給通路４５内の水素ガスが全て(１００％)、直噴用
水素供給通路５０と水素噴射ポート５１とを介して作動
室５a,５b,５cに直接供給されるといった直噴燃料供給
状態(以下、これを単に直噴という)となる。この場合、
水素ガスは、作動室５a,５b,５cへの空気の充填が終了
した後で圧入されるので吸気充填効率が高められ、エン
ジン出力が高められる。逆に、第１電磁制御弁４９が閉
じられる一方、第２電磁制御弁５６が開かれたときに
は、第２水素供給通路４５内の水素ガスが全て(１００
％)、予混合用水素供給通路５５と水素ミキサ２５とを
介して共通吸気通路２１に供給されるといった予混合燃
料供給状態(以下、これを単に予混合という)となる。こ
の場合、水素ガスと吸入空気とがよく混合されるので、
混合気の燃焼速度が高くなり熱効率が高められ、燃費性
能が高められる。なお、第１,第２電磁制御弁４９,５６
の開度を調節することによって、水素噴射ポート５１か
らの水素供給量と水素ミキサ２５からの水素供給量の比
率を任意に設定することができるのはもちろんである。
【００２８】そして、コントロールユニットＣによっ
て、運転状態に応じて空燃比Ａ／Ｆないしは空気過剰率
λが制御されるとともに、この空燃比Ａ／Ｆないしは空
気過剰率λに応じて水素噴射ポート５１からの水素供給
量と水素ミキサ２５からの水素供給量の比率、すなわち
直噴による水素供給量と予混合による水素供給量の比率
が制御されるようになっている。以下、かかる空燃比制
御と水素供給経路切替制御とについて説明する。なお、
空燃比と空気過剰率とは、実質的には同一の物性を示し
ているので、以下では便宜上、空燃比を空気過剰率で表
現することにする。
【００２９】空気過剰率λ(空燃比Ａ／Ｆ)は、図３に示
すような特性でアクセル開度とエンジン回転速度とに応
じて設定される。図３から明らかなとおり、空気過剰率
λはアクセル全開時にはエンジン出力を高めるために、
エンジン回転速度にかかわりなくほぼ１.０(理論空燃
比)に設定され(Ｈ1)、アクセル全閉時には燃費性能を高
めるためにリーンリミット(空気過剰率λ＝２〜３)に設
定される(Ｈ3)。ここで、リーンリミットとは、混合気
の燃焼性やエンジン振動を良好に保持できるリーン側の
限界値である。そして、アクセル開度が全開と全閉との
間にあるときには、アクセル開度とエンジン回転速度と
に応じて、エンジン出力が大きいときほど混合気がリッ
チとなるような特性で空気過剰率λが設定されるように
なっている。なお、図３中の曲線Ｈ2は、水素供給方式
を予混合から直噴に、又は直噴から予混合に切り替える
べき所定の境界空燃比(一定値)を示している。
【００３０】水素供給経路切替制御においては、エンジ
ン出力及び燃費性能を良好に維持しつつＮＯx排出量を
可能な限り低減するために、空気過剰率λが所定の境界
空気過剰率λ0(境界空燃比)よりもリッチなときには、
第１電磁制御弁４９を全開する一方第２電磁制御弁５６
を全閉し、水素ガスを全量水素噴射ポート５１を介して
直接作動室５a,５b,５cに供給するようにしている(直
噴)。他方、空気過剰率λが境界空気過剰率λ0よりもリ
ーンなときには、第１電磁制御弁４９を全閉する一方第
２電磁制御弁５６を全開し、水素ガスを全量水素ミキサ
２５を介して共通吸気通路２１に供給するようにしてい
る(予混合)。このように、直噴から予混合への切り替え
又は予混合から直噴への切り替えが一定の境界空燃比を
基準として行われるので、切替制御は非常に簡素なもの
となる。
【００３１】以下、水素ガス供給経路をこのように切り
替える根拠は説明する。図４に、予混合の場合のＮＯx
発生率の空気過剰率λに対する特性(Ｌ1)と、直噴の場
合の特性(Ｌ2)とを示す。図４から明らかなとおり、予
混合の場合は、λがおよそ０.９〜１.５である比較的リ
ッチ側の領域ではＮＯx発生率が非常に高くなっている
反面、λがおよそ１.５以上の比較的リーン側の領域で
はＮＯx発生率が非常に低くなっている。すなわち、予
混合の場合は、水素ガスと空気とがミキシングされる時
間が長く、したがって両者がほぼ均一に混合されている
ので、比較的リッチ側の領域では混合気の燃焼速度が非
常に大きくなり、このため燃焼温度が高くなり、ＮＯx
発生率が高くなるものと考えられる。しかしながら、比
較的リーン側の領域では発熱量が小さくなり、したがっ
て燃焼温度が低くなるので、ＮＯx発生率が非常に低く
なるものと考えられる。
【００３２】他方、直噴の場合は、比較的リッチ側の領
域(λがおよそ０.９〜１.５)でもＮＯx発生率は予混合
の場合ほどは高くならない反面、比較的リーン側の領域
ではＮＯx発生率が予混合の場合ほどは低くならない。
すなわち、直噴の場合は、水素ガスと空気のミキシング
時間が非常に短いので、作動室５a,５b,５c内には比較
的リッチな部分と比較的リーンな部分とが混在し、した
がって混合気全体としては比較的リッチな場合でもリー
ンな部分によって火炎の伝播が妨げられ、燃焼速度が低
下して燃焼温度がさほど高くはならないからであると考
えられる。しかしながら、混合気全体としては比較的リ
ーンな場合でも、比較的リッチな部分で局所的に燃焼温
度が高くなるので、ＮＯx発生率がそれほどは低くなら
ないものと考えられる。
【００３３】そして、図４から明らかなとおり、空気過
剰率がλ0(およそ１.５)を境に予混合と直噴のＮＯx発
生率が逆転している。そこで、本実施例においては、こ
のλ0を境界空気過剰率(境界空燃比)とし、空気過剰率
λが境界空気過剰率λ0よりもリッチなとき、すなわち
図３においてＨ1とＨ2の間の運転領域では直噴としてＮ
Ｏx発生率を抑制し、他方境界空気過剰率λ0よりもリー
ンなとき、すなわち図３においてＨ2とＨ3の間の運転領
域では予混合としてＮＯx発生率を抑制し、エンジンＲ
ＥからのＮＯx発生量を大幅に低減するようにしてい
る。
【００３４】この場合、高いエンジン出力を必要とする
比較的リッチな領域では直噴とされるので吸気充填効率
が高められ、エンジン出力が大幅に高められてエンジン
ＲＥの動力性能が高められる。他方、さほど高いエンジ
ン出力を必要としないリーンな領域では混合気がリーン
とされた上、さらに予混合とされるので熱効率が高めら
れて燃費性能が大幅に高められる。したがって、本実施
例によれば、動力性能あるいは燃費性能を高めつつ、Ｎ
Ｏx発生量を大幅に低減することができる。
【００３５】なお、上記の実施例のほか、水素ガス供給
経路切替制御を次のようにしてもよい。すなわち、基本
的には直噴と予混合とを併用するようにした上で、空気
過剰率λが境界空気過剰率λ0(境界空燃比)よりもリッ
チなときには直噴の割合を相対的に大きくし、他方空気
過剰率λがλ0よりもリーンなときには直噴の割合を相
対的に小さくするようにしてもよい。このようにすれ
ば、全領域で熱効率を高めつつＮＯx発生量を抑制する
ことができる。
【００３６】また、空気過剰率が１〜λ0の範囲内の所
定の値λ1を切替空気過剰率(切替空燃比)とした上で、
空気過剰率λがλ1よりもリッチな場合は直噴とし、λ1
〜λ0の場合は直噴と予混合とを併用し、λ0よりリーン
な場合は予混合とするようにしてもよい。このようにす
れば、空気過剰率λがλ1〜λ0の領域では熱効率すなわ
ち燃費性能を高めつつ、ＮＯx発生量を抑制することが
できる。
【００３７】さらに、ＮＯx発生率が最大となる空気過
剰率領域(λが１.１付近)では直噴とした上で、この領
域よりもリーン側では、直噴と予混合とを併用しつつ混
合気がリーンなときほど直噴の割合が低くなるようにし
てもよい。このようにすれば、水素ガス供給圧を低くで
きるので、水素ガスの流量制御精度が高められる。な
お、本発明はロータリピストンエンジンに限定されるも
のではなく、レシプロエンジンにも適用可能であるのは
もちろんである。
【００３８】
【発明の作用・効果】第１〜第４の発明によれば、いず
れも、次のとおりの基本的な作用・効果が得られる。す
なわち、境界空燃比よりリッチ側の領域では、直噴燃料
供給手段からの燃料供給割合が相対的に大きく設定され
るので、筒内の混合気に比較的リッチな部分と比較的リ
ーンな部分とが生じ、比較的リーンな部分によって燃焼
温度が抑制されてＮＯx発生率が低減される。かつ、吸
気充填効率が高められてエンジン出力が高められる。他
方、境界空燃比よりリーン側の領域では、直噴燃料供給
手段からの燃料供給割合が比較的小さく設定されるの
で、予混合燃料供給手段からの燃料供給割合が大きくな
り、筒内の混合気がほぼ均一に混合され、局所的にリッ
チな部分が生じなくなりＮＯx発生率が低減される。か
つ、熱効率が高められて燃費性能が高められる。
【００３９】そして、第１の発明によれば、さらに、境
界空燃比よりもリッチ側の領域では完全な直噴とされ、
境界空燃比よりもリーン側の領域では完全な予混合とさ
れるので、ＮＯx低減効果が一層高められるといった固
有の作用・効果が得られる。
【００４０】第２の発明によれば、さらに、切替空燃比
と境界空燃比との間の空燃比領域では、直噴と予混合と
が併用されるので、この空燃比領域での熱効率が高めら
れ、燃費性能が一層高められるといった固有の作用・効
果が得られる。
【００４１】第３の発明によれば、基本的には第１の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、境界空燃比
が一定値とされるので、直噴、予混合の切替制御が簡素
化される。
【００４２】第４の発明によれば、さらに、最高ＮＯx
空燃比領域では直噴とされるのでＮＯx発生量が低減さ
れ、かつこれよりリーン側の領域では、予混合が併用さ
れかつリーンなときほど予混合の比率が高められるの
で、気体燃料供給圧を低くすることができ、気体燃料の
流量制御精度が高められるといった固有の作用・効果が
得られる。
【００４３】第５の発明によれば、比較的リッチ側の最
高ＮＯx空燃比領域では直噴とされるのでＮＯx発生量が
低減され、かつ充填効率が高められてエンジン出力が高
められる。また、最高ＮＯx空燃比領域よりリーン側の
領域では、予混合が併用されかつリーンなときほど予混
合の比率が高められるので、ＮＯx発生量が低減される
とともに、熱効率すなわち燃費性能が高められる。さら
に、気体燃料供給圧を低くすることができるので気体燃
料の流量制御精度が高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示すロータリピストンエン
ジンのシステム構成図である。
【図２】 図１に示すエンジンの、吸気ポート、水素噴
射弁及び水素噴射ポートの開閉タイミングを示す図であ
る。
【図３】 図１に示すエンジンの、空気過剰率(空燃比)
の、アクセル開度及びエンジン回転速度に対する特性を
示す図である。
【図４】 図１に示すエンジンの予混合時及び直噴時に
おける、ＮＯx発生率の空気過剰率に対する特性を示す
図である。
【符号の説明】
ＲＥ…ロータリピストンエンジン Ｃ…コントロールユニット(ＥＣＵ) Ｆ…燃料供給手段 ５a,５b,５c…作動室 ２１…共通吸気通路 ２５…水素ミキサ ４１…メタルハイドライドタンク ４６,４７…第１,第２水素流量調整弁 ４９,５６…第１,第２電磁制御弁 ５０…直噴用水素供給通路 ５１…水素噴射ポート ５２…水素噴射弁 ５５…予混合用水素供給通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３１１ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３１１Ｂ (56)参考文献 特開 昭50−145706（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−246460（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−37367（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−250364（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−244821（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−151213（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−138203（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−12458（ＪＰ，Ｂ１) 特公 平１−23659（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00 F02B 53/02 F02D 19/02 F02M 21/02

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一部が水素で構成された気体
    燃料を筒内に供給する燃料供給手段と、筒内への空気吸
    入量と気体燃料供給量の比率である空燃比を運転状態に
    応じて変化させる空燃比制御手段とが設けられた気体燃
    料エンジンにおいて、 燃料供給手段が、気体燃料を直接筒内に供給する直噴燃
    料供給手段と、気体燃料を吸気通路を介して筒内に供給
    する予混合燃料供給手段とで構成され、 理論空燃比よりもリーン側に設定される所定の境界空燃
    比よりもリッチ側の空燃比領域では直噴燃料供給手段か
    ら筒内に供給される気体燃料の割合を相対的に大きく設
    定する一方、境界空燃比よりもリーン側の空燃比領域で
    は上記割合を相対的に小さく設定する燃料供給特性制御
    手段が設けられ、 燃料供給特性制御手段が、境界空燃比よりもリッチ側の
    空燃比領域では直噴燃料供給手段から筒内に供給される
    気体燃料の割合を１００％に設定する一方、境界空燃比
    よりもリーン側の空燃比領域では予混合燃料供給手段か
    ら筒内に供給される気体燃料の割合を１００％に設定す
    るようになっていることを特徴とする気体燃料エンジ
    ン。
  2. 【請求項２】 少なくとも一部が水素で構成された気体
    燃料を筒内に供給する燃料供給手段と、筒内への空気吸
    入量と気体燃料供給量の比率である空燃比を運転状態に
    応じて変化させる空燃比制御手段とが設けられた気体燃
    料エンジンにおいて、 燃料供給手段が、気体燃料を直接筒内に供給する直噴燃
    料供給手段と、気体燃料を吸気通路を介して筒内に供給
    する予混合燃料供給手段とで構成され、 理論空燃比よりもリーン側に設定される所定の境界空燃
    比よりもリッチ側の空燃比領域では直噴燃料供給手段か
    ら筒内に供給される気体燃料の割合を相対的に大きく設
    定する一方、境界空燃比よりもリーン側の空燃比領域で
    は上記割合を相対的に小さく設定する燃料供給特性制御
    手段が設けられ、 燃料供給特性制御手段が、理論空燃比よりはリーン側で
    ありかつ境界空燃比よりはリッチ側に設定される切替空
    燃比よりもリッチ側の空燃比領域では直噴燃料供給手段
    から筒内に供給される気体燃料の割合を１００％に設定
    し、切替空燃比と境界空燃比との間の空燃比領域では上
    記割合を０％よりは大きく１００％よりは小さい所定の
    値に設定し、かつ境界空燃比よりもリーン側の空燃比領
    域では予混合燃料供給手段から筒内に供給される気体燃
    料の割合を１００％に設定するようになっていることを
    特徴とする気体燃料エンジン。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載された気体燃料エンジン
    において、 燃料供給特性制御手段が、境界空燃比をエンジン回転数
    にかかわらず一定値に設定するようになっていることを
    特徴とする気体燃料エンジン。
  4. 【請求項４】 少なくとも一部が水素で構成された気体
    燃料を筒内に供給する燃料供給手段と、筒内への空気吸
    入量と気体燃料供給量の比率である空燃比を運転状態に
    応じて変化させる空燃比制御手段とが設けられた気体燃
    料エンジンにおいて、 燃料供給手段が、気体燃料を直接筒内に供給する直噴燃
    料供給手段と、気体燃料を吸気通路を介して筒内に供給
    する予混合燃料供給手段とで構成され、 理論空燃比よりもリーン側に設定される所定の境界空燃
    比よりもリッチ側の空燃比領域では直噴燃料供給手段か
    ら筒内に供給される気体燃料の割合を相対的に大きく設
    定する一方、境界空燃比よりもリーン側の空燃比領域で
    は上記割合を相対的に小さく設定する燃料供給特性制御
    手段が設けられ、 燃料供給特性制御手段が、ＮＯx発生率が最も高くなる
    最高ＮＯx空燃比領域では直噴燃料供給手段から筒内に
    供給される気体燃料の割合を１００％に設定し、最高Ｎ
    Ｏx空燃比領域よりもリーン側の空燃比領域では空燃比
    がリーンになる程上記割合を小さく設定するようになっ
    ていることを特徴とする気体燃料エンジン。
  5. 【請求項５】 少なくとも一部が水素で構成された気体
    燃料を筒内に供給する燃料供給手段と、筒内への空気吸
    入量と気体燃料供給量の比率である空燃比を運転状態に
    応じて変化させる空燃比制御手段とが設けられた気体燃
    料エンジンにおいて、 燃料供給手段が、気体燃料を直接筒内に供給する直噴燃
    料供給手段と、気体燃料を吸気通路を介して筒内に供給
    する予混合燃料供給手段とで構成され、 ＮＯx発生率が最も高くなる最高ＮＯx空燃比領域では直
    噴燃料供給手段から筒内に供給される気体燃料の割合を
    １００％に設定し、最高ＮＯx空燃比領域よりもリーン
    側の空燃比領域では空燃比がリーンになる程上記割合を
    小さく設定する燃料供給特性制御手段が設けられている
    ことを特徴とする気体燃料エンジン。
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