JP3932433B2

JP3932433B2 - Method and apparatus for preventing backfire of hydrogen engine

Info

Publication number: JP3932433B2
Application number: JP12707496A
Authority: JP
Inventors: 卓近藤
Original assignee: Gotoh Educational Corp
Current assignee: Gotoh Educational Corp
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2016-05-22
Also published as: JPH09310668A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素エンジンのバックファイヤ防止方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素エンジンは、他の内燃機関と比較して排気特性が極めて優れているので、公害防止の面からその早急な実用化が期待されている。水素エンジンの燃料供給法としては内部混合方式と外部混合方式があるが、後者の方が、機構が簡単で運転操作も容易である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、外部混合方式の水素エンジンは、空気過剰率λ＝３〜２付近でバックファイヤが発生するという問題点がある。このバックファイヤが外部混合方式の水素エンジンの実用化を遅らせている要因の一つとなっている。このバックファイヤの発生メカニズムについては、これまでに多くの研究がなされてきたが、完全に原因を説明できるものではなかった。
【０００４】
本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、外部混合方式の水素エンジンにおいて、空気過剰率λ＝３〜２付近でのバックファイヤの発生を防止することができる方法および装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、空気過剰率λ＝３〜２付近でのバックファイヤの発生メカニズムを次のような試験を行って解明し、本発明に到ったものである。
（１）試験設備
供試エンジンは自動車用水冷４気筒４サイクルガソリンエンジンを外部混合方式の水素エンジンに改造したものである。表１に供試エンジンの主要諸元を示す。
【０００６】
【表１】

図３は、供試エンジンに用いられている点火システムを示す回路図である。本点火システムには、高回転高負荷時の要求電圧増加に対応するために各々の点火プラグ２に点火プラグケーブル３を介して点火コイル１を設けたダイレクトイグニション方式を使用した。なお、前記点火コイル１はパワートランジスター５を介してコントロールユニット６により制御される。また、１次側電流の立ち上がり時における２次側の逆起電力による放電を防ぐために点火コイル１の２次側にはダイオード７が取り付けられている。なお、上述したダイレクトイグニション方式の代えて、デイストリビュータータイプの点火システムを使用してもよい。
図４は、点火コイル１から点火プラグケーブル（１ｋΩ）３に供給された２次側の高電圧を、電気抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を有するアースケーブル１４によって分圧し、アースに流したときの電気抵抗Ｒ１２間の電位差を測定し、信号をオシロスコープで読みとる装置を示している。
【０００７】
（２）実験結果
図４に示した装置により、点火コイル１から点火プラグ２までの高電圧部分の浮遊容量に蓄積された残存電気エネルギー量の変化を測定した。この時の電気抵抗値は、Ｒｌ＝６０５ＭΩ，Ｒ２＝５０ｋΩとしている。
【０００８】
図５に水素エンジンとガソリンエンジンにおける測定結果の比較を示す。この時のエンジンスピードは２０００ｒｐｍとし、水素エンジンの空気過剰率λは２．７８としている。図５（ａ）に示す水素エンジンの場合、点火系高電圧部分の浮遊容量に蓄積された残存電気エネルギー量が燃焼中にほぼ直線的に緩やかに減少している。図５（ｂ）に示すガソリンエンジンの場合、点火系高電圧部分の浮遊容量に蓄積された残存電気エネルギー量が燃焼中に指数関数的に急激に減少している。この結果より水素エンジンの場合、高い残存電気エネルギーが点火系高電圧部分に蓄積していることが分かる。なお、前記点火系高電圧部分には、点火プラグケーブル並びに点火コイル及び点火プラグが含まれる。
【０００９】
また、図６に水素エンジンにおいて異常放電（異常点火）が発生したときの残存電気エネルギー量の変化を示す。この時のエンジンスピードは２０００ｒｐｍとし、空気過剰率λは２．７８としている。同図に示すように異常放電の発生と同時に残存電気エネルギーは瞬時に低下している。これより異常放電は点火コイル１から点火プラグ２までの高電圧部分の浮遊容量に蓄積された残存電気エネルギ−によって発生することが分かる。
【００１０】
上述した試験結果に基づき、残存電気エネルギーの蓄積および異常放電の原因について次のように考察した。
【００１１】
酸素−水素火炎内のイオン濃度が炭化水素系燃料の燃焼火炎内のイオン濃度と比較して極めて少ないことは知られている。このことにより、火炎の抵抗値が増加し、その結果、正常放電終了時にプラグギャップ間には大きな電位差が残存する。ガソリンなどの炭化水素系燃料の場合は、火炎内にＨ₃０⁺，Ｃ₃Ｈ₃ ⁺などのイオンが豊富に存在するのでプラグギャップ間に残存する電位差は少なく、残存電気エネルギーも火炎内の豊富なイオンによるイオン電流により瞬時に減少する。しかし、水素エンジンの場合、残存電気エネルギーは火炎内にイオンが少ないために放出されず、次のサイクルまで存在している。この時、燃焼が終了し、シリンダー内圧力が減少してプラグギャップ間の要求電圧が低下して、残存電気エネルギー量と一致したときに異常放電が発生する。異常放電の発生位置は、残存電気エネルギー量とプラグギャップ間の要求電圧によって決まるため不規則であり、異常放電が吸気行程中に発生して混合気に着火したときにバックファイヤとなると考えられる。
【００１２】
そこで、本発明では、水素エンジンにおける空気過剰率λ＝３〜２付近でのバックファイヤの発生を、点火コイル１から点火プラグ２までの高電圧部分の浮遊容量に蓄積された残存電気エネルギーを速やかに放出することによって解決した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による水素エンジンのバックファイヤ防止方法は、外部混合方式の水素エンジンの点火コイルから点火プラグまでの高電圧部分の浮遊容量に残存電気エネルギーが蓄積しないようにすることにより異常放電によるバックファイヤの発生を防止することを特徴とする。前記残存電気エネルギーは少なくとも吸気行程まで蓄積しないようにすることが必要である。
【００１４】
本発明による水素エンジンのバックファイヤ防止装置は、外部混合方式の水素エンジンの点火コイルから点火プラグまでの高電圧部分に、残存電気エネルギー放出手段を設けたことを特徴とする。なお、前記高電圧部分は、点火プラグケーブル並びに点火コイル及び点火プラグが含まれる。また、前記残存電気エネルギー放出手段は、電気抵抗を有するアースケーブルであることが好ましい。
【００１５】
【実施例】
本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明者等は、問題を解決するための手段の欄で詳述したように、水素エンジンにおける空気過剰率λ＝３〜２付近でのバックファイヤの発生メカニズムの一つとして、酸素−水素火炎内のイオン濃度が炭化水素系燃料と比較して非常に少ないためにプラグギャップ間にイオン電流が殆ど流れず点火系高電圧部分に多くの電気エネルギーが残存し、燃焼終了後、シリンダー内圧力が大気圧付近まで低下する吸気行程においてプラグギャップ間の要求電圧が低下して残存電気エネルギー量と一致したとき異常放電を発生し、バックファイヤとなることを解明し、バックファイヤの発生を防止するには、点火系高電圧部分の浮遊容量に蓄積されている残存電気エネルギーを速やかに放出する必要があるとの結論を得た。
【００１７】
図１は、点火系高電圧部分の浮遊容量に残存電気エネルギーが蓄積しないようにするための水素エンジンのバックファイヤ防止装置の一実施例を示す概略図である。
【００１８】
同図に示すように、本発明による水素エンジンのバックファイヤ防止装置は、点火コイル１と点火プラグ２間に設けられた点火プラグケーブル（１ｋΩ）に、残存電気エネルギー放出手段である電気抵抗Ｒｌを有するアースケーブル４を接続して構成されている。すなわち、このアースケーブル４によって、高電圧部分から分圧し、常にアース側に残存電気エネルギーを放出している。
【００１９】
次に、上記バックファイヤ防止装置を使用した試験について説明する。
【００２０】
本試験では、電流を流れやすくするために、電気抵抗値をＲｌ＝５ＭΩとしている。
【００２１】
図２に上述したバックファイヤ防止装置を有する水素エンジンにおける測定結果を示す。この時のエンジンスピードは１６００ｒｐｍとし、空気過剰率λは１．０１としている。点火信号波形を見ると残存電気エネルギーは速やかに減衰していることが分かる。
【００２２】
すなわち、点火プラグケーブル３に電気抵抗Ｒ１を有するアースケーブル４を設けて運転した場合、空気過剰率＝３〜２付近でのバックファイヤを防止することができ、エンジンスピード１６００ｒｐｍ時に、空気過剰率λ＝１．０での運転が可能となった。
【００２３】
上述した実施例では、点火系高電圧部分の電気エネルギーを電気抵抗Ｒ１を有するアースケーブル４によって、常にアース側に放電させているが、この電気抵抗Ｒ１の代わりにダイオードを用いて残存電気エネルギーだけを放出し、無駄に電力を消費させないようにすることもできる。また、プラグギャップ間隔を広くするなどの方法により、プラグギャップ間の要求電圧を高くすることにより残存電気エネルギ−のレベルを高くして、吸気行程前の膨張および排気行程時のプラグギャップ間の要求電圧において残存電気エネルギーを放電させてしまうこともできる。すなわち、残存電気エネルギー放出手段としては、点火系高電圧部分に蓄積される残存電気エネルギーを吸気行程までに放出できるものであればどのような構成のものでも良い。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成されているため、外部混合方式の水素エンジンにおいて、空気過剰率＝３〜２付近での異常放電によるバックファイヤの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水素エンジンのバックファイヤ防止装置の一実施例を示す概略図である。
【図２】本発明によるバックファイヤ防止装置を有する水素エンジンにおける測定結果を示すインジケータ線図である。
【図３】供試エンジンに用いられている点火システムを示す回路図である。
【図４】点火プラグケーブルに供給された２次側の高電圧を分圧し、抵抗を介してアースに流したときの抵抗間の電位差を測定し、信号を読みとる装置を示す回路図である。
【図５】水素エンジンとガソリンエンジンにおける残存電気エネルギーの測定結果の比較を示すインジケータ線図であり、図５（ａ）は水素エンジン、図５（ｂ）はガソリンエンジンの測定結果を示している。
【図６】異常放電（点火）が発生したときの残存電気エネルギー量の測定結果を示すインジケータ線図である。
【符号の説明】
１点火コイル
２点火プラグ
３点火プラグケーブル
４アースケーブル（残存電気エネルギー放出手段）
５パワートランジスター
６コントロールユニット
７ダイオード
Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ１２電気抵抗[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen engine backfire prevention method and apparatus.
[0002]
[Prior art]
In recent years, hydrogen engines have excellent exhaust characteristics as compared with other internal combustion engines, so that they are expected to be put into practical use from the viewpoint of pollution prevention. There are an internal mixing method and an external mixing method as a fuel supply method for the hydrogen engine, but the latter is simpler in mechanism and easier to operate.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the external mixing type hydrogen engine has a problem that backfire occurs in the vicinity of the excess air ratio λ = 3 to 2. This backfire is one of the factors delaying the practical application of external mixing type hydrogen engines. Many studies have been conducted on the mechanism of the occurrence of backfire, but the cause could not be completely explained.
[0004]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and prevents the occurrence of backfire in the vicinity of the excess air ratio λ = 3 to 2 in an external mixing type hydrogen engine. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus capable of performing the above.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has clarified the generation mechanism of backfire in the vicinity of the excess air ratio λ = 3 to 2 by conducting the following test and has arrived at the present invention.
(1) Test facility The test engine is a water-cooled 4-cylinder 4-cycle gasoline engine for automobiles modified to an externally mixed hydrogen engine. Table 1 shows the main specifications of the engine under test.
[0006]
[Table 1]

FIG. 3 is a circuit diagram showing an ignition system used in the engine under test. In this ignition system, a direct ignition system in which each ignition plug 2 is provided with an ignition coil 1 via an ignition plug cable 3 was used in order to cope with an increase in required voltage at high rotation and high load. The ignition coil 1 is controlled by a control unit 6 via a power transistor 5. Further, a diode 7 is attached to the secondary side of the ignition coil 1 in order to prevent discharge due to the secondary counter electromotive force when the primary current rises. A distributor type ignition system may be used instead of the direct ignition method described above.
FIG. 4 shows the electrical resistance R12 when the secondary high voltage supplied from the ignition coil 1 to the spark plug cable (1 kΩ) 3 is divided by the ground cable 14 having the electrical resistances R11 and R12 and flows to the ground. It shows a device that measures the potential difference between them and reads the signal with an oscilloscope.
[0007]
(2) Experimental Results Changes in the amount of residual electric energy accumulated in the stray capacitance of the high voltage portion from the ignition coil 1 to the spark plug 2 were measured by the apparatus shown in FIG. The electrical resistance values at this time are Rl = 605 MΩ and R2 = 50 kΩ.
[0008]
FIG. 5 shows a comparison of measurement results between a hydrogen engine and a gasoline engine. The engine speed at this time is 2000 rpm, and the excess air ratio λ of the hydrogen engine is 2.78. In the case of the hydrogen engine shown in FIG. 5 (a), the amount of residual electric energy accumulated in the stray capacity of the ignition system high-voltage portion gradually decreases linearly during combustion. In the case of the gasoline engine shown in FIG. 5 (b), the amount of residual electric energy accumulated in the floating capacity of the ignition system high voltage portion decreases exponentially during combustion. This result shows that in the case of a hydrogen engine, high residual electric energy is accumulated in the high voltage portion of the ignition system. The ignition system high voltage portion includes an ignition plug cable, an ignition coil, and an ignition plug.
[0009]
FIG. 6 shows a change in the amount of remaining electric energy when abnormal discharge (abnormal ignition) occurs in the hydrogen engine. The engine speed at this time is 2000 rpm, and the excess air ratio λ is 2.78. As shown in the figure, the residual electrical energy is instantaneously reduced simultaneously with the occurrence of abnormal discharge. From this, it can be seen that the abnormal discharge is generated by the residual electric energy accumulated in the stray capacitance of the high voltage portion from the ignition coil 1 to the ignition plug 2.
[0010]
Based on the test results described above, the accumulation of residual electrical energy and the cause of abnormal discharge were considered as follows.
[0011]
It is known that the ion concentration in the oxygen-hydrogen flame is extremely small compared to the ion concentration in the combustion flame of the hydrocarbon fuel. This increases the resistance value of the flame, and as a result, a large potential difference remains between the plug gaps at the end of normal discharge. In the case of hydrocarbon fuels such as gasoline, ions such as H ₃ 0 ⁺ and C ₃ H ₃ ⁺ are abundant in the flame, so there is little potential difference remaining between the plug gaps, and the residual electric energy is also in the flame. It decreases instantly due to the ion current due to abundant ions. However, in the case of a hydrogen engine, the residual electrical energy is not released because there are few ions in the flame and remains until the next cycle. At this time, combustion ends, the cylinder internal pressure decreases, the required voltage between the plug gaps decreases, and abnormal discharge occurs when the amount of electric energy remaining matches. The position where the abnormal discharge occurs is irregular because it is determined by the amount of residual electrical energy and the required voltage between the plug gaps, and it is considered that abnormal discharge occurs during the intake stroke and the air-fuel mixture is ignited and becomes backfired.
[0012]
Therefore, in the present invention, the occurrence of backfire in the vicinity of the excess air ratio λ = 3 to 2 in the hydrogen engine is quickly detected by the residual electric energy accumulated in the stray capacitance of the high voltage portion from the ignition coil 1 to the ignition plug 2. Solved by releasing to.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The method for preventing backfire of a hydrogen engine according to the present invention prevents backfire due to abnormal discharge by preventing residual electric energy from accumulating in the stray capacitance of the high voltage portion from the ignition coil to the spark plug of the externally mixed hydrogen engine. It is characterized by preventing the occurrence. It is necessary that the residual electric energy is not accumulated at least until the intake stroke.
[0014]
The hydrogen engine backfire prevention apparatus according to the present invention is characterized in that residual electric energy discharge means is provided in a high voltage portion from an ignition coil to an ignition plug of an external mixing type hydrogen engine. The high voltage portion includes an ignition plug cable, an ignition coil, and an ignition plug. Moreover, it is preferable that the said remaining electrical energy discharge | release means is an earth cable which has electrical resistance.
[0015]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
As described in detail in the section of the means for solving the problem, the present inventors have proposed an oxygen-hydrogen flame as one of the generation mechanisms of the backfire in the vicinity of the excess air ratio λ = 3 to 2 in the hydrogen engine. The ion concentration in the inside is very small compared to hydrocarbon fuel, so that almost no ionic current flows between the plug gaps, leaving a lot of electric energy in the ignition system high voltage part. In order to prevent the occurrence of backfire by elucidating that abnormal discharge occurs and the backfire occurs when the required voltage between the plug gaps decreases and matches the amount of residual electrical energy during the intake stroke that decreases to near atmospheric pressure. Concludes that it is necessary to quickly release the residual electrical energy stored in the stray capacitance of the ignition system high-voltage part.
[0017]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a backfire prevention device for a hydrogen engine for preventing residual electric energy from accumulating in the stray capacitance of the ignition system high voltage portion.
[0018]
As shown in the figure, the backfire prevention device for a hydrogen engine according to the present invention has a spark plug cable (1 kΩ) provided between the ignition coil 1 and the spark plug 2 with an electrical resistance Rl as a residual electrical energy release means. The earth cable 4 is connected. That is, the ground cable 4 divides the voltage from the high voltage portion, and always discharges the remaining electrical energy to the ground side.
[0019]
Next, a test using the backfire prevention device will be described.
[0020]
In this test, the electric resistance value is set to Rl = 5 MΩ to facilitate the flow of current.
[0021]
FIG. 2 shows a measurement result in the hydrogen engine having the backfire prevention device described above. The engine speed at this time is 1600 rpm, and the excess air ratio λ is 1.01. From the ignition signal waveform, it can be seen that the residual electrical energy decays quickly.
[0022]
That is, when the spark plug cable 3 is provided with the ground cable 4 having the electric resistance R1, the backfire near the excess air ratio = 3 to 2 can be prevented, and when the engine speed is 1600 rpm, the excess air ratio λ = 1.0 became possible.
[0023]
In the embodiment described above, the electrical energy of the ignition system high voltage portion is always discharged to the ground side by the ground cable 4 having the electrical resistance R1, but only a residual electrical energy is obtained by using a diode instead of the electrical resistance R1. It is also possible to prevent wasteful consumption of electric power. Further, by increasing the required voltage between the plug gaps by increasing the plug gap interval or the like, the level of the residual electric energy is increased so that the demand between the plug gaps during the expansion and exhaust strokes before the intake stroke is increased. Residual electrical energy can also be discharged at a voltage. In other words, the residual electric energy releasing means may have any configuration as long as the residual electric energy accumulated in the ignition system high voltage portion can be released before the intake stroke.
[0024]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it is possible to prevent the occurrence of backfire due to abnormal discharge in the vicinity of an excess air ratio of 3 to 2 in an external mixing type hydrogen engine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing one embodiment of a backfire prevention device for a hydrogen engine according to the present invention.
FIG. 2 is an indicator diagram showing measurement results in a hydrogen engine having a backfire prevention device according to the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing an ignition system used in a test engine.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a device for measuring a potential difference between resistors when a secondary high voltage supplied to a spark plug cable is divided and flowing to ground through a resistor, and reading a signal.
FIG. 5 is an indicator diagram showing a comparison of measurement results of residual electric energy between a hydrogen engine and a gasoline engine. FIG. 5 (a) shows a measurement result of a hydrogen engine, and FIG. 5 (b) shows a measurement result of a gasoline engine. .
FIG. 6 is an indicator diagram showing a measurement result of a residual electric energy amount when abnormal discharge (ignition) occurs.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ignition coil 2 Spark plug 3 Spark plug cable 4 Ground cable (residual electric energy discharge | release means)
5 Power transistor 6 Control unit 7 Diode R1, R11, R12 Electric resistance

Claims

To prevent residual electric energy that cannot be discharged in the hydrogen-oxygen flame during the combustion period from accumulating in the floating capacity of the high voltage part from the ignition coil (1) to the ignition plug (2) of the externally mixed hydrogen engine Thus, a backfire prevention method for a hydrogen engine, characterized by preventing the occurrence of backfire due to abnormal discharge of the residual electric energy .

The method according to claim 1, wherein the residual electric energy is not accumulated until the intake stroke.

In the high voltage part from the ignition coil (1) to the ignition plug (2) of the externally mixed hydrogen engine, the residual electrical energy that generates a backfire cannot be discharged into the hydrogen-oxygen flame during the combustion period if abnormal discharge occurs. An anti- backfire prevention device for a hydrogen engine, characterized in that it is provided with residual electric energy discharge means (4) for preventing accumulation in the engine.

4. The backfire prevention device for a hydrogen engine according to claim 3, wherein the residual electric energy discharging means is an earth cable (4) having an electric resistance (R1).