JP4206764B2

JP4206764B2 - Internal combustion engine and combustion control method for internal combustion engine

Info

Publication number: JP4206764B2
Application number: JP2003028953A
Authority: JP
Inventors: 正人河内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-02-06
Also published as: JP2004239158A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変動弁機構を備える内燃機関においてポンピングロスを低減する内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、要求出力が小さく内燃機関に供給される燃料量も少ない部分負荷領域においてストイキ燃焼を実行するためには、少ない燃料量に合わせてスロットルバルブ（吸気制御バルブ）の開度を小さくして吸入空気量を減らす必要がある。スロットルバルブの開度が小さくなると、吸気抵抗が増大し（吸気管負圧が大きくなり）、いわゆるポンピングロスが発生する。
【０００３】
そこで、軽負荷領域（部分負荷領域）におけるポンピングロスを低減して、内燃機関の燃費向上を図る技術が種々実用化、提案されている。例えば、部分負荷領域においても、スロットルバルブ（吸気制御バルブ）の開度を小さくして吸気量を減らすことなく、可変動弁機構によって吸気バルブの閉弁時期を調整することで吸入空気量を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、内燃機関に供給される燃料量に見合う空気量よりも多くの空気量での燃焼を実行（希薄燃焼）することで、スロットルバルブの開度を大きくし、吸気管負圧を軽減しポンピングロスを低減する、希薄燃焼（リーンバーン）技術が実用化されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２０８２２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、可変動弁機構によって吸入空気量を調整する場合には、実圧縮比が低くなるため、圧縮端温度が低下して、燃料の着火性が悪くなり燃焼が安定しないという問題がある。
【０００７】
一方、希薄燃焼技術では、圧縮端温度の低下は起こらないものの、Ｎｏｘが発生しやすくなる。Ｎｏｘは、通常の三元触媒では浄化することができないので、吸蔵還元型触媒等の触媒を別途備えなければならないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、可変動弁機構によって吸入空気量を調整する内燃機関において、部分負荷領域における燃焼安定性を維持しつつ、ポンピングロスを低減し、燃費性能を向上させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、少なくとも吸気バルブの作動タイミングを変更可能な可変動弁機構を備える内燃機関を提供する。本発明の第１の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関に対して主燃料を供給する主燃料供給手段と、前記可変動弁機構によって前記吸気バルブの閉弁時期が早められた場合には、前記内燃機関に対して水素を供給する水素供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る内燃機関によれば、可変動弁機構によって吸気バルブの閉弁時期が早められた場合には、内燃機関に対して水素を供給するので、吸気バルブに起因するポンピングロスを低減することができると共に、燃焼状態を安定させることができる。
【００１１】
本発明の第２の態様は内燃機関を提供する。本発明の第２の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記内燃機関に対して主燃料を供給する主燃料供給手段と、前記内燃機関に吸入される吸入空気量を調整するための吸気制御バルブであって、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、部分負荷運転状態に対して設定された開度よりも開度が増大される吸気制御バルブと、少なくとも吸気バルブの閉弁タイミングを変更可能な可変動弁機構であって、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記吸気バルブの閉弁時期を早める、または遅らせる可変動弁機構と、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記内燃機関に対して水素を供給する水素供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の態様に係る内燃機関によれば、内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にある場合には、吸気制御バルブの開度が部分負荷運転状態に対して設定された開度よりも増大され、吸気バルブの閉弁時期が早められ、または遅らせられ、内燃機関に対して水素を供給するので、部分負荷領域における燃焼安定性を維持しつつ、ポンピングロスを低減し、燃費性能を向上させることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る内燃機関において、前記水素供給手段は、前記可変動弁機構が前記吸気バルブの閉弁時期を遅らせた場合には、前記内燃機関に対して吸気行程後半に水素を供給しても良い。かかる場合には、内燃機関の気筒内に水素を弱成層化することが可能となり、さらに、主燃料の着火性、火炎伝播性を向上することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る内燃機関はさらに、１つ以上の気筒を備え、前記水素供給手段は、前記気筒内に直接水素を供給するよう配置されていると共に、前記可変動弁機構によって前記吸気バルブの閉弁時期が遅らせられた場合には、前記内燃機関に対して圧縮行程において水素を供給しても良い。かかる場合には、内燃機関の気筒内に水素を成層化することが可能となり、さらに、主燃料の着火性、火炎伝播性を向上することができる。
【００１５】
本発明の第２の態様に係る内燃機関はさらに、前記吸気バルブを介して前記内燃機関へ吸入空気を導く吸気管を備え、前記主燃料供給手段は、前記吸気管に対して排気行程において主燃料を供給しても良い。かかる場合には、内燃機関の気筒内に主燃料を十分に均質化することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る内燃機関において、前記水素供給手段は、前記可変動弁機構によって前記吸気バルブの閉弁時期が早められた場合には、主燃料の供給時期に同期して前記内燃機関に対して水素を供給しても良い。かかる場合には、主燃料と水素とが内燃機関の気筒内に均質に分散され、バルブオーバラップによって残留ガス割合が高い状態においても、良好な火炎伝播、着火性を得ることができる。
【００１７】
本発明の第１または第２の態様に係る内燃機関はさらに、前記内燃機関における燃焼状態が安定しているか否かを判定する燃焼状態判定手段を備え、前記水素供給手段は、前記内燃機関の燃焼状態が安定していると判定された場合には、前記内燃機関に対する水素の供給を行わなくても良い。かかる場合には、水素の不要な消費を抑制することができる。
【００１８】
本発明の第３の態様は、内燃機関を提供する。本発明の第３の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記内燃機関に対して主燃料を供給する主燃料供給手段と、前記内燃機関に対して吸入空気を導く吸気管と、前記吸気管に配置されていると共に吸入空気量を調整するための吸気制御バルブと、少なくとも吸気バルブの閉弁タイミングを変更可能な可変動弁機構と、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記吸気制御バルブおよび前記可変動弁機構を制御して、前記吸気管の負圧を０近傍にするポンピングロス低減手段と、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記内燃機関に対して水素を供給する水素供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第３の態様に係る内燃機関によれば、内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、吸気制御バルブおよび可変動弁機構を制御して、吸気管の負圧を０近傍にすると共に、内燃機関に対して水素を供給するので、部分負荷領域における燃焼安定性を維持しつつ、ポンピングロスを低減し、燃費性能を向上させることができる。
【００２０】
本発明の第４の態様は、少なくとも吸気バルブの作動タイミングを変更可能な可変動弁機構を備える内燃機関の燃焼制御方法を提供する。本発明の第４の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法は、前記内燃機関の運転状態を検出し、
前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出した場合には、
前記吸気バルブの閉弁時期を早め、
前記内燃機関に対して主燃料に加えて水素を供給することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第４の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法によれば、本発明の第１の態様に係る内燃機関と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第４の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法は、本発明の第１の態様に係る内燃機関と同様にして種々の態様にて実現され得る。
【００２２】
本発明の第５の態様は、内燃機関に吸入される吸入空気量を調整する吸気制御バルブおよび少なくとも吸気バルブの作動タイミングを変更可能な可変動弁機構を備える内燃機関の燃焼制御方法を提供する。本発明の第５の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法は、前記内燃機関の運転状態を検出し、
前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、
前記吸気制御バルブの開度を部分負荷運転状態に対して設定された開度より
も増大させ、
前記吸気バルブの閉弁時期を早める、または遅らせ、
前記内燃機関に対して主燃料に加えて水素を供給することを特徴とする。
【００２３】
本発明の第５の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法によれば、本発明の第２の態様に係る内燃機関と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第５の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法は、本発明の第２の態様に係る内燃機関と同様にして種々の態様にて実現され得る。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法について説明する。
【００２５】
・第１の実施例：
図１〜図４を参照して第１の実施例に係る内燃機関の概略構成について説明する。図１は第１の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。図２は第１の実施例に係る内燃機関において実行される燃焼制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図３は第１の実施例に係る内燃機関における吸気バルブと排気バルブの作動特性および水素の噴射時期を示す説明図である。図４は第１の実施例に係る内燃機関のポンピングロスと従来例に係る内燃機関のポンピングロスとを比較して示すＰ−Ｖ線図である。
【００２６】
第１の実施例に係る内燃機関１０は、内部に複数のシリンダ１１を有するシリンダブロック１２、シリンダ１１内を往復動するピストン１３、シリンダブロック１２の底部に配置されたクランクケース１４、シリンダブロック１２（シリンダ１１）の上部に配置されたシリンダヘッド１５を備えている。
【００２７】
シリンダヘッド１５は、各シリンダ１１毎に吸気ポート１６および排気ポート１７を有している。シリンダヘッド１５には、各シリンダ１１の略中心位置に対応する位置に火花点火のための点火プラグ３０が配置されると共に、各吸気ポート１６の下側にはシリンダ１１（燃焼室）の燃焼圧力を検出する燃焼圧力センサ５０が配置されている。
【００２８】
各吸気ポート１６には、吸気側カムＩＣによって駆動されて吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１６１が配置されており、各排気ポート１７には、排気側カムＥＣによって駆動されて排気ポート１７を開閉する排気バルブ１７１が配置されている。
【００２９】
吸気側カムＩＣ（吸気側カムシャフト）には、クランクシャフトに対する吸気側カムシャフトの位相を変位させて、吸気バルブ１６１の開弁時期および閉弁時期を通常タイミングに対して早める（進角させる）または、遅らせる（遅角させる）可変動弁機構２０が備えられている。可変動弁機構２０は、例えば、モータ、油圧制御バルブといったアクチュエータ２１によってカムシャフトを変位させることでクランクシャフトに対する吸気側カムシャフト（吸気側カムＩＣ）の位相を変位させる。なお、可変動弁機構２０には、位相の変位によりバルブタイミングを変更するもののみならず、作用角、バルブリフト量を変更するものも含まれる。作用角の変更は、例えば、作用角の異なる複数のカムを備え、運転状態に応じて使用するカムを切り換えることによって、あるいは、カムシャフトの回転速度を変更させることによって実現することができる。本実施例では、吸気バルブ１６１の閉弁時期を進角または遅角させることができればどのような可変動弁機構であっても良い。また、吸気バルブ１６１をアクチュエータによって直接駆動するものであっても良い。
【００３０】
各吸気ポート１６には主燃料であるガソリン燃料を噴射するための燃料噴射弁ＩＪ並びに水素を噴射するための水素噴射弁ＨＩＪが配置されている。すなわち、第１の実施例に用いられる内燃機関１０では、ガソリン燃料および水素燃料は共に、吸気ポートに噴射された後、シリンダ１１内に供給される。
【００３１】
各燃料噴射弁ＩＪには、燃料デリバリパイプＦＤを介して燃料が供給され、各水素噴射弁ＨＩＪには、高圧水素タンクＨＴに貯蔵されている水素が減圧弁等によって所定の圧力まで減圧された後に、水素デリバリパイプＨＦＤを介して供給される。
【００３２】
各吸気ポート１６には、吸気管１８の分岐端が連結され、各排気ポート１７には、排気管（排気マニホールド）１９の分岐端が連結されている。吸気管１８の途中には、燃焼室への流入吸気量を制御する吸気制御バルブ（スロットルバルブ）３１が配置されている。スロットルバルブ３１は、アクセルペダルとは機械的にリンクされていない、いわゆるリンクレスタイプのスロットルバルブであり、アクセルペダルとは電気的にリンクされている。したがって、アクセルペダルの踏み込み状態にかかわらず任意の開度を取ることができる。また、排気管１９の途中には燃焼後の排気ガスを浄化するための三元触媒３２が配置されている。
【００３３】
内燃機関１０の燃焼制御（運転制御）は、制御ユニット４０によって実行されている。制御ユニット４０は、演算処理機能（ＣＰＵ）、マップ、プログラム等を格納する記憶機能（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を備えている。制御ユニット４０には、燃焼室（シリンダ１１）内の燃焼圧力を検出する燃焼圧力センサ５０、スロットルバルブ３１の開度（ポジション）を検出するスロットルポジションセンサ５１、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ５２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ５３等を介して内燃機関１０の各種運転条件が入力される。また、制御ユニット４０には、以下に説明する燃料噴射弁ＩＪ、水素噴射弁ＨＪ、可変動弁機構２０（アクチュエータ２１）、点火プラグ３１が接続されており、ガソリンおよび水素供給量、ガソリンおよび水素の噴射時期、吸気バルブ１６１の閉弁時期、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。
【００３４】
次に、図２〜図４を参照して第１の実施例に係る内燃機関において実施される内燃機関の燃焼制御処理について説明する。本処理ルーチンは所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００３５】
制御ユニット４０は、各種センサ５０〜５３を介して内燃機関１０の運転状態を取得し（ステップＳ１００）、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態（軽負荷運転状態）にあるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。例えば、アクセルポジションセンサ５３によってアクセルペダルの踏み込み量が全踏み込み量に対して１／２未満であるときには、部分負荷運転状態にあると判定される。
【００３６】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態にないと判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了して通常の燃焼制御処理を実行する。
【００３７】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態にあると判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、スロットルバルブ３１を全開（ＷＯＴ）すると共に、可変動弁機構２０を介して吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせる（ステップＳ１２０）。可変動弁機構２０による吸気バルブ１６１の遅閉じは、例えば、図３に示すように実行される。図３において横軸はクランク角を示し、縦軸はバルブリフト量を示す。また、図３において実線は、吸気バルブ１６１の通常の動作特性を示し、一点鎖線は位相のみを変位させることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせた場合の動作特性を示し、破線は作用角を大きな作用角に変えることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせた場合の動作特性を示す。
【００３８】
位相のみを変位させて吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせる場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期も遅れることとなり、一方、作用角を変更して吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせる場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期を遅らせないこともできる。
【００３９】
スロットルバルブ３１を全開にして、吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせることによって、図４に示すように、本実施例Ｌ１では従来例Ｌ０と比較してポンピングロス（負圧）を大幅に低減することができる。したがって、内燃機関１０の出力効率を向上させることができる。
【００４０】
制御ユニット４０は、取得した運転状態に応じてストイキ燃焼を実現するためのガソリン燃料量を決定し、図３に示すように燃料噴射弁ＩＪを介して排気行程途中に吸気ポート１６に対して燃料を噴射する（ステップＳ１３０）。制御ユニット４０は、燃焼圧力センサ５０によって検出された燃焼圧力の変動に基づいて内燃機関１０の燃焼状態が安定しているか否かを判定する（ステップＳ１４０）。具体的には、燃焼圧力の変動が所定の変動値よりも大きい場合には燃焼状態は安定していないと判定され、所定の変動値以下である場合には燃焼状態は安定していると判定される。
【００４１】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の燃焼状態は安定していないと判定した場合には（ステップＳ１４０：Ｎｏ）、図３に示すように吸気行程後半に、水素噴射弁ＨＩＪを介して吸気ポート１６に対して所定量の水素を噴射する（ステップＳ１５０）。吸気行程後半に水素を噴射することによって、シリンダ１１内上部に水素を弱成層化することが可能となり、点火プラグ３０の近傍における水素濃度を濃くすることができる。
【００４２】
制御ユニット４０は、取得された運転状態に応じて点火時期を決定し、点火プラグ３０を介して火花点火を実行する点火制御を実行し（ステップＳ１６０）、本処理ルーチンを終了する。水素の高着火性によって混合気温度が低い状態にあってもガソリン燃料の着火性能を向上させることができると共に、水素の高い燃焼速度によって十分な（強い）火炎伝播を得てシリンダ１１内におけるガソリン燃料の燃焼を安定させることができる。
【００４３】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の燃焼状態が安定していると判定した場合には（ステップＳ１４０：Ｙｅｓ）、水素噴射制御を実行せず、点火制御（ステップＳ１６０）を実行して本処理ルーチンを終了する。燃焼状態が安定している場合には、水素を添加するまでもなく良好な燃焼状態を得ることができる。
【００４４】
以上説明したように第１の実施例に係る内燃機関１０によれば、内燃機関１０が部分負荷運転状態にある場合には、スロットルバルブ３１を全開し、吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせることによって吸入空気量の調整を行うことができると共に、内燃機関１０の燃焼が安定しない場合には水素燃料を添加するので安定した燃焼状態を維持することができる。
【００４５】
したがって、図４にＬ１として示すように、部分負荷運転状態においてストイキ燃焼を実行する場合におけるスロットルバルブ３１に起因するポンピングロスを従来例（Ｌ０）と比較して大幅に低減することができる。また、吸気バルブ１６１の閉弁時期の遅延に伴い実圧縮比が低下する条件下においても、ガソリン燃料の着火性能を向上させることができると共に水素が有する高い燃焼速度による良好な火炎伝播により燃焼安定性を向上させることができる。この結果、内燃機関の安定した燃焼状態を維持しつつ、内燃機関の出力効率、燃費性能を向上させることができる。
【００４６】
また、第１の実施例に係る内燃機関１０では、部分負荷運転状態においてもストイキ燃焼を実行するため、一般的に用いられる三元触媒３２によって排気ガスを浄化することができる。すなわち、部分負荷運転状態において希薄燃焼によりポンピングロスを低減する場合に必要となる、Ｎｏｘを浄化するための吸蔵還元型触媒を別途備える必要がない。
【００４７】
さらに、第１の実施例によれば、水素の噴射時期を、吸気行程後半とし、圧縮行程時のシリンダ内上部に水素を弱成層化するので、点火プラグ３１の近傍における水素濃度を高めることが可能となり、更にガソリン燃料の着火性能を向上させることができる。
【００４８】
なお、燃焼状態が安定しているか否かを判定することなく、すなわち、ステップＳ１４０を省略して、内燃機関１０が部分負荷運転状態にある場合には水素添加を実施するようにしても良い。また、添加する水素量は、一定値であってもよく、あるいは、燃焼圧力の変動が大きくなるにつれて水素量を多くする等、燃焼圧力と対応づけても良い。
【００４９】
・第２の実施例：
次に、図５〜図７を参照して第２の実施例に係る内燃機関において実施される内燃機関の燃焼制御処理について説明する。図５は第２の実施例に係る内燃機関において実行される燃焼制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図６は第２の実施例に係る内燃機関における吸気バルブと排気バルブの作動特性および水素の噴射時期を示す説明図である。図７は第２の実施例に係る内燃機関のポンピングロスと従来例に係る内燃機関のポンピングロスとを比較して示すＰ−Ｖ線図である。第２の実施例に係る内燃機関の構成は第１の実施例に係る内燃機関１０の構成と同様であるから同一の構成要素については同一の符号を付すことでその説明を省略する。第２の実施例では、吸気バルブ１６１の閉弁時期を早めることによって吸気量制御を行う点で第１の実施例と異なる。
【００５０】
本処理ルーチンは所定の時間間隔で繰り返し実行される。制御ユニット４０は、各種センサ５０〜５３を介して内燃機関１０の運転状態を取得し（ステップＳ２００）、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態（軽負荷運転状態）にあるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。例えば、アクセルポジションセンサ５３によってアクセルペダルの踏み込み量が全踏み込み量に対して１／２未満であると共にクランクポジションセンサ５２によって検出された機関回転数が低い場合には、部分負荷運転状態にあると判定される。
【００５１】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態にないと判定した場合には（ステップＳ２１０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了して通常の燃焼制御処理を実行する。
【００５２】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態にあると判定した場合には（ステップＳ２１０：Ｙｅｓ）、スロットルバルブ３１を全開（ＷＯＴ）すると共に、可変動弁機構２０を介して吸気バルブ１６１の閉弁時期を早める（進める）（ステップＳ２２０）。可変動弁機構２０による吸気バルブ１６１の早閉じは、例えば、図６に示すように実行される。図６において横軸はクランク角を示し、縦軸はバルブリフト量を示す。また、図６において実線は、吸気バルブ１６１の通常の動作特性を示し、一点鎖線は位相のみを変位させることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を進めた場合の動作特性を示し、破線は作用角を小さな作用角に変えることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を進めた場合の動作特性を示す。
【００５３】
位相のみを変位させて吸気バルブ１６１の閉弁時期を進める場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期も早まることとなるが、できる限りバルブオーバラップ量を抑えることが好ましい。一方、作用角を変更して吸気バルブ１６１の閉弁時期を進める場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期を早めないこともできる。作用角を変更する場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期を早めることがないので、排気バルブ１７１とのバルブオーバラップも拡大することなく、排気ポート１７への未燃燃料（混合気）の流出を防止することができると共に残量ガス割合を低減することができる。
【００５４】
スロットルバルブ３１を全開にして、吸気バルブ１６１の閉弁時期を早めることによって、図７に示すように、本実施例Ｌ２では従来例Ｌ０と比較してポンピングロス（負圧）を大幅に低減することができる。したがって、内燃機関１０の出力効率を向上させることができる。
【００５５】
制御ユニット４０は、取得した運転状態に応じてストイキ燃焼を実現するためのガソリン燃料量を決定すると共に、予め定められた水素量を用い、図４に示すように燃料噴射弁ＩＪおよび水素噴射弁ＨＩＪを介して排気行程後半に吸気ポート１６に対してガソリン燃料および水素燃料を同時に噴射する（ステップＳ２３０）。
【００５６】
制御ユニット４０は、取得された運転状態に応じて点火時期を決定し、点火プラグ３０を介して火花点火を実行する点火制御を実行し（ステップＳ２４０）、本処理ルーチンを終了する。
【００５７】
位相のみを変位させることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を早める場合には、既述のようにバルブオーバラップによって残留ガス割合が高くなり火炎伝播が遅くなる。しかしながら、第２の実施例では、水素燃料は排気行程後半に吸気ポート１６へ噴射されるので、シリンダ１１内に均質に分散され、この結果、水素が有する高い燃焼速度特性によって良好な火炎伝播を実現することができる。
【００５８】
以上説明したように第２の実施例に係る内燃機関１０によれば、内燃機関１０が部分負荷運転状態にある場合には、スロットルバルブ３１を全開し、吸気バルブ１６１の閉弁時期を早めることによって吸入空気量の調整を行うことができると共に、水素燃料を添加することによって安定した燃焼状態を維持することができる。
【００５９】
したがって、図７にＬ２として示すように、部分負荷運転状態においてストイキ燃焼を実行する場合におけるスロットルバルブ３１に起因するポンピングロスを従来例（Ｌ０）と比較して大幅に低減することができる。また、吸気バルブ１６１の閉弁時期の進行に伴い実圧縮比が低下する条件下においても、シリンダ１１内に水素を均質に分散させることにより、ガソリン燃料の着火性能を向上させることができると共に良好な火炎伝播により燃焼安定性を向上させることができる。この結果、内燃機関の安定した燃焼状態を維持しつつ、内燃機関の出力効率、燃費性能を向上させることができる。
【００６０】
この他にも、第１の実施例に係る内燃機関１０と同様に、排気ガスを三元触媒３２にて浄化できる等の効果を得ることができる。
【００６１】
・第３の実施例：
図８を参照して第３の実施例に係る内燃機関について説明する。図８は第３の実施例に係る内燃機関１００の概略構成を示す説明図である。なお、第１および第２の実施例に係る内燃機関１０と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略し、異なる点について以下、説明する。
【００６２】
先ず、上記各実施例では、内燃機関１０はスロットルバルブ３１を備えていたが、本実施例に係る内燃機関１００は、スロットルバルブ３１を備えていない。すなわち、本実施例では、吸入空気量の調整は、内燃機関１００の運転状態にかかわらず、可変動弁機構２０によって吸気バルブ１６１の閉弁時期を調整することによって実行される。かかる場合には、スロットルバルブ３１に起因するポンピングロスは発生しないが、吸気バルブ１６１に起因するポンピングロスが発生する。そこで、本実施例では、部分負荷運転状態においては、吸気バルブ１６１の閉弁時期を早めることによって、吸入空気が吸気バルブ１６１を通過する際に発生する圧損を低減し、吸気管１８に発生する負圧を低減してポンピングロスを抑制する。吸気バルブ１６１が閉弁された後は、吸気行程においてシリンダ１１内に負圧が発生するが、密閉空間において発生した負圧であり、負圧を発生させるために消費されたエネルギは圧縮行程において回収されるため、ポンピングロスとはならない。
【００６３】
また、上記実施例では、水素噴射装置ＨＩＪは吸気ポート１６に配置されていたが、本実施例では、水素噴射装置ＨＩＪ’は、シリンダ１１内に直接水素を供給（噴射）できるよう、吸気ポート１６近傍のシリンダヘッド１５に配置されている。この結果、第１の実施例のように、吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせる場合、圧縮行程においてシリンダ１１内に水素を供給することが可能となり、水素の成層化を図ることができる。したがって、点火プラグ３０の近傍における水素濃度をより高めることが可能となり、ガソリン燃料の燃焼安定性をより確実なものとすることができる。
【００６４】
更に、本実施例では、燃焼圧力センサ５０を備えていない。本実施例では、クランクポジションセンサ５２を介して検出された機関回転数のばらつき（変動）が所定値を超えた場合に、内燃機関１００における燃焼状態が安定していないと判定する。燃焼状態が安定しているか否かを判定するためには、それほど正確な燃焼圧力を得る必要はなく、機関回転数のばらつきによっても燃焼状態が安定しているか否かを判定することは可能である。かかる場合には、燃焼圧力センサ５０を別途備える必要がないという利点を有する。
【００６５】
・その他の実施例：
上記実施例では、高圧水素タンクＨＴに高圧貯蔵された水素ガスを用いたが、液体水素を用いても良い。また、上記実施例では、純水素を用いたが、内燃機関１０、１００に改質器を搭載し、改質器によって生成された水素リッチガスを用いても良い。
【００６６】
上記実施例では、主燃料としてガソリンを用いているが天然ガス等を用いても良い。
【００６７】
上記実施例では、ポート噴射タイプの燃料噴射弁ＩＪが用いられているが、シリンダ１１内に直接燃料が噴射される直噴タイプの燃料噴射弁が用いられても良い。
【００６８】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係る内燃機関において実行される燃焼制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】第１の実施例に係る内燃機関における吸気バルブと排気バルブの作動特性および水素の噴射時期を示す説明図である。
【図４】第１の実施例に係る内燃機関のポンピングロスと従来例に係る内燃機関のポンピングロスとを比較して示すＰ−Ｖ線図である。
【図５】第２の実施例に係る内燃機関において実行される燃焼制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】第２の実施例に係る内燃機関における吸気バルブと排気バルブの作動特性および水素の噴射時期を示す説明図である。
【図７】第２の実施例に係る内燃機関のポンピングロスと従来例に係る内燃機関のポンピングロスとを比較して示すＰ−Ｖ線図である。
【図８】第３の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１００…内燃機関
１１…シリンダ
１２…シリンダブロック
１３…ピストン
１４…クランクケース
１５…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６１…吸気バルブ
１７…排気ポート
１７１…排気バルブ
１８…吸気管
１９…排気管
２０…可変動弁機構
２１…アクチュエータ
３０…点火プラグ
３１…吸気制御弁（スロットルバルブ）
３２…三元触媒
４０…制御ユニット
５０…燃焼圧力センサ
５１…スロットルポジションセンサ
５２…クランクポジションセンサ
５３…アクセルポジションセンサ
ＩＣ…吸気側カム
ＥＣ…排気側カム
ＩＪ…燃料噴射弁（インジェクタ）
ＦＤ…燃料デリバリパイプ
ＨＩＪ、ＨＩＪ’…水素噴射弁
ＨＦＤ…水素デリバリパイプ
ＨＴ…高圧水素タンク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine that reduces a pumping loss in an internal combustion engine having a variable valve mechanism and a combustion control method for the internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In general, in order to perform stoichiometric combustion in a partial load region where the required output is small and the amount of fuel supplied to the internal combustion engine is small, the opening of the throttle valve (intake control valve) is reduced in accordance with the small fuel amount. It is necessary to reduce the amount of intake air. When the opening of the throttle valve decreases, the intake resistance increases (intake pipe negative pressure increases), and so-called pumping loss occurs.
[0003]
Therefore, various technologies for reducing the pumping loss in the light load region (partial load region) and improving the fuel consumption of the internal combustion engine have been put into practical use. For example, even in the partial load region, the intake air amount can be adjusted by adjusting the closing timing of the intake valve with a variable valve mechanism without reducing the intake amount by reducing the opening of the throttle valve (intake control valve) The technique which performs is proposed (for example, refer patent document 1).
[0004]
Also, by performing combustion with an amount of air that is larger than the amount of fuel commensurate with the amount of fuel supplied to the internal combustion engine (lean combustion), the throttle valve opening is increased, and the intake pipe negative pressure is reduced and pumping is performed. Lean burn technology that reduces loss has been put into practical use.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-208220
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the amount of intake air is adjusted by the variable valve mechanism, the actual compression ratio becomes low, so that there is a problem that the compression end temperature is lowered, the ignitability of the fuel is deteriorated, and the combustion is not stable.
[0007]
On the other hand, in the lean combustion technique, although the compression end temperature does not decrease, Nox is likely to be generated. Since Nox cannot be purified with an ordinary three-way catalyst, there is a problem that a catalyst such as an occlusion reduction catalyst must be provided separately.
[0008]
The present invention has been made to solve the above problems, and in an internal combustion engine that adjusts the amount of intake air by a variable valve mechanism, while reducing combustion loss in a partial load region, reducing pumping loss, The purpose is to improve fuel efficiency.
[0009]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides an internal combustion engine including a variable valve mechanism that can change at least an operation timing of an intake valve. In the internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, when the closing timing of the intake valve is advanced by the main fuel supply means for supplying main fuel to the internal combustion engine and the variable valve mechanism. And hydrogen supply means for supplying hydrogen to the internal combustion engine.
[0010]
According to the internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, when the valve closing timing of the intake valve is advanced by the variable valve mechanism, hydrogen is supplied to the internal combustion engine, resulting in the intake valve. Pumping loss can be reduced and the combustion state can be stabilized.
[0011]
A second aspect of the present invention provides an internal combustion engine. An internal combustion engine according to a second aspect of the present invention includes an operation state detection means for detecting an operation state of the internal combustion engine, a main fuel supply means for supplying main fuel to the internal combustion engine, and an intake to the internal combustion engine An intake control valve for adjusting the amount of intake air to be operated, and when the operating state of the internal combustion engine is detected to be a partial load operating state, the opening set for the partial load operating state An intake control valve whose opening is increased more than the above, and a variable valve mechanism capable of changing at least the closing timing of the intake valve, wherein the operation state of the internal combustion engine is detected to be a partial load operation state Includes a variable valve mechanism that advances or delays the closing timing of the intake valve, and hydrogen is supplied to the internal combustion engine when it is detected that the internal combustion engine is in a partial load operation state. Supply Characterized in that it comprises a hydrogen supply means.
[0012]
According to the internal combustion engine according to the second aspect of the present invention, when the operating state of the internal combustion engine is in the partial load operating state, the opening degree of the intake control valve is set to the partial load operating state. The intake valve closing time is advanced or delayed, and hydrogen is supplied to the internal combustion engine, thus reducing the pumping loss while maintaining the combustion stability in the partial load region, and the fuel efficiency performance Can be improved.
[0013]
In the internal combustion engine according to the second aspect of the present invention, when the variable valve mechanism delays the closing timing of the intake valve, the hydrogen supply means supplies hydrogen to the internal combustion engine in the latter half of the intake stroke. May be supplied. In such a case, hydrogen can be weakly stratified in the cylinder of the internal combustion engine, and further, the ignitability of the main fuel and the flame propagation property can be improved.
[0014]
The internal combustion engine according to the second aspect of the present invention further comprises one or more cylinders, and the hydrogen supply means is arranged to supply hydrogen directly into the cylinders, and by the variable valve mechanism. When the closing timing of the intake valve is delayed, hydrogen may be supplied to the internal combustion engine in the compression stroke. In such a case, hydrogen can be stratified in the cylinders of the internal combustion engine, and the ignitability and flame propagation of the main fuel can be improved.
[0015]
The internal combustion engine according to the second aspect of the present invention further includes an intake pipe that guides intake air to the internal combustion engine via the intake valve, and the main fuel supply means is configured to perform main operation in an exhaust stroke with respect to the intake pipe. Fuel may be supplied. In such a case, the main fuel can be sufficiently homogenized in the cylinder of the internal combustion engine.
[0016]
In the internal combustion engine according to the second aspect of the present invention, the hydrogen supply means is configured to synchronize with the supply timing of the main fuel when the closing timing of the intake valve is advanced by the variable valve mechanism. Hydrogen may be supplied to the internal combustion engine. In such a case, good flame propagation and ignitability can be obtained even when the main fuel and hydrogen are uniformly dispersed in the cylinder of the internal combustion engine and the residual gas ratio is high due to valve overlap.
[0017]
The internal combustion engine according to the first or second aspect of the present invention further comprises combustion state determination means for determining whether or not the combustion state in the internal combustion engine is stable, and the hydrogen supply means When it is determined that the combustion state is stable, it is not necessary to supply hydrogen to the internal combustion engine. In such a case, unnecessary consumption of hydrogen can be suppressed.
[0018]
A third aspect of the present invention provides an internal combustion engine. An internal combustion engine according to a third aspect of the present invention includes an operation state detection unit that detects an operation state of the internal combustion engine, a main fuel supply unit that supplies main fuel to the internal combustion engine, and an internal combustion engine An intake pipe that guides intake air, an intake control valve that is disposed in the intake pipe and adjusts the intake air amount, a variable valve mechanism that can change at least the closing timing of the intake valve, and the internal combustion engine A pumping loss reducing means for controlling the intake control valve and the variable valve mechanism to make the negative pressure of the intake pipe close to zero when it is detected that the engine operating state is a partial load operating state; And a hydrogen supply means for supplying hydrogen to the internal combustion engine when it is detected that the operation state of the internal combustion engine is in a partial load operation state.
[0019]
According to the internal combustion engine of the third aspect of the present invention, when it is detected that the operation state of the internal combustion engine is in the partial load operation state, the intake control valve and the variable valve mechanism are controlled, and the intake pipe Since the negative pressure is made close to 0 and hydrogen is supplied to the internal combustion engine, it is possible to reduce the pumping loss and improve the fuel efficiency while maintaining the combustion stability in the partial load region.
[0020]
A fourth aspect of the present invention provides a combustion control method for an internal combustion engine including a variable valve mechanism that can change at least the operation timing of an intake valve. An internal combustion engine combustion control method according to a fourth aspect of the present invention detects an operating state of the internal combustion engine,
When it is detected that the operating state of the internal combustion engine is in a partial load operating state,
Advance the closing timing of the intake valve,
In addition to the main fuel, hydrogen is supplied to the internal combustion engine.
[0021]
According to the combustion control method for an internal combustion engine according to the fourth aspect of the present invention, it is possible to obtain the same operational effects as those of the internal combustion engine according to the first aspect of the present invention. Further, the combustion control method for an internal combustion engine according to the fourth aspect of the present invention can be realized in various aspects in the same manner as the internal combustion engine according to the first aspect of the present invention.
[0022]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a combustion control method for an internal combustion engine comprising an intake control valve for adjusting an intake air amount taken into the internal combustion engine and a variable valve mechanism capable of changing at least the operation timing of the intake valve. . An internal combustion engine combustion control method according to a fifth aspect of the present invention detects an operating state of the internal combustion engine,
When it is detected that the operating state of the internal combustion engine is in a partial load operating state,
From the opening set for the partial load operation state, the opening of the intake control valve
Increase
Advance or delay the closing timing of the intake valve,
In addition to the main fuel, hydrogen is supplied to the internal combustion engine.
[0023]
According to the combustion control method for an internal combustion engine according to the fifth aspect of the present invention, the same operational effects as those of the internal combustion engine according to the second aspect of the present invention can be obtained. Further, the combustion control method for an internal combustion engine according to the fifth aspect of the present invention can be realized in various aspects in the same manner as the internal combustion engine according to the second aspect of the present invention.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an internal combustion engine and a combustion control method for an internal combustion engine according to the present invention will be described based on some embodiments with reference to the drawings.
[0025]
First embodiment:
A schematic configuration of the internal combustion engine according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the internal combustion engine according to the first embodiment. FIG. 2 is a flowchart showing a processing routine of combustion control processing executed in the internal combustion engine according to the first embodiment. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the operating characteristics of the intake and exhaust valves and the hydrogen injection timing in the internal combustion engine according to the first embodiment. FIG. 4 is a PV diagram showing a comparison between the pumping loss of the internal combustion engine according to the first embodiment and the pumping loss of the internal combustion engine according to the conventional example.
[0026]
An internal combustion engine 10 according to the first embodiment includes a cylinder block 12 having a plurality of cylinders 11 therein, a piston 13 reciprocating in the cylinder 11, a crankcase 14 disposed at the bottom of the cylinder block 12, and a cylinder block 12 The cylinder head 15 is provided at the upper part of the (cylinder 11).
[0027]
The cylinder head 15 has an intake port 16 and an exhaust port 17 for each cylinder 11. A spark plug 30 for spark ignition is disposed in the cylinder head 15 at a position corresponding to a substantially central position of each cylinder 11, and the combustion pressure of the cylinder 11 (combustion chamber) is disposed below each intake port 16. A combustion pressure sensor 50 for detecting the above is disposed.
[0028]
Each intake port 16 is provided with an intake valve 161 that is driven by an intake side cam IC to open and close the intake port 16, and each exhaust port 17 is driven by an exhaust side cam EC to open and close the exhaust port 17. An exhaust valve 171 is disposed.
[0029]
In the intake side cam IC (intake side camshaft), the phase of the intake side camshaft with respect to the crankshaft is displaced to advance (advance) the valve opening timing and valve closing timing of the intake valve 161 with respect to the normal timing. Alternatively, a variable valve mechanism 20 for delaying (retarding) is provided. The variable valve mechanism 20 displaces the phase of the intake camshaft (intake cam IC) with respect to the crankshaft by displacing the camshaft by an actuator 21 such as a motor or a hydraulic control valve. The variable valve mechanism 20 includes not only one that changes the valve timing by phase displacement but also one that changes the operating angle and valve lift amount. The change of the operating angle can be realized, for example, by providing a plurality of cams having different operating angles and switching the cam to be used according to the operating state or changing the rotational speed of the camshaft. In the present embodiment, any variable valve mechanism may be used as long as the closing timing of the intake valve 161 can be advanced or retarded. Further, the intake valve 161 may be directly driven by an actuator.
[0030]
Each intake port 16 is provided with a fuel injection valve IJ for injecting gasoline fuel, which is the main fuel, and a hydrogen injection valve HIJ for injecting hydrogen. That is, in the internal combustion engine 10 used in the first embodiment, both gasoline fuel and hydrogen fuel are injected into the intake port and then supplied into the cylinder 11.
[0031]
Fuel is supplied to each fuel injection valve IJ via a fuel delivery pipe FD, and hydrogen stored in the high-pressure hydrogen tank HT is reduced to a predetermined pressure by a pressure reducing valve or the like to each hydrogen injection valve HIJ. Later, it is supplied via a hydrogen delivery pipe HFD.
[0032]
Each intake port 16 is connected to a branch end of an intake pipe 18, and each exhaust port 17 is connected to a branch end of an exhaust pipe (exhaust manifold) 19. An intake control valve (throttle valve) 31 that controls the amount of intake air flowing into the combustion chamber is disposed in the intake pipe 18. The throttle valve 31 is a so-called linkless type throttle valve that is not mechanically linked to the accelerator pedal, and is electrically linked to the accelerator pedal. Therefore, an arbitrary opening degree can be taken regardless of the depressed state of the accelerator pedal. A three-way catalyst 32 for purifying the exhaust gas after combustion is disposed in the middle of the exhaust pipe 19.
[0033]
Combustion control (operation control) of the internal combustion engine 10 is executed by the control unit 40. The control unit 40 includes an arithmetic processing function (CPU), a storage function (ROM, RAM) for storing maps, programs, and the like. The control unit 40 includes a combustion pressure sensor 50 that detects the combustion pressure in the combustion chamber (cylinder 11), a throttle position sensor 51 that detects the opening (position) of the throttle valve 31, and a crank position sensor that detects the engine speed. 52. Various operating conditions of the internal combustion engine 10 are input via an accelerator position sensor 53 that detects the amount of depression of the accelerator pedal. The control unit 40 is connected to a fuel injection valve IJ, a hydrogen injection valve HJ, a variable valve mechanism 20 (actuator 21), and a spark plug 31, which will be described below. The injection timing, the closing timing of the intake valve 161, the ignition timing, the intake air amount, and the like are appropriately controlled.
[0034]
Next, a combustion control process of the internal combustion engine performed in the internal combustion engine according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. This processing routine is repeatedly executed at predetermined time intervals.
[0035]
The control unit 40 acquires the operation state of the internal combustion engine 10 via the various sensors 50 to 53 (step S100), and determines whether or not the operation state of the internal combustion engine 10 is in the partial load operation state (light load operation state). Determination is made (step S110). For example, when the accelerator pedal position of the accelerator pedal is less than ½ of the total depression amount by the accelerator position sensor 53, it is determined that the vehicle is in the partial load operation state.
[0036]
When it is determined that the operation state of the internal combustion engine 10 is not in the partial load operation state (step S110: No), the control unit 40 ends this processing routine and executes a normal combustion control process.
[0037]
When the control unit 40 determines that the operation state of the internal combustion engine 10 is in the partial load operation state (step S110: Yes), the control unit 40 fully opens (WOT) the throttle valve 31 and also via the variable valve mechanism 20. The closing timing of the intake valve 161 is delayed (step S120). The slow closing of the intake valve 161 by the variable valve mechanism 20 is executed, for example, as shown in FIG. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the crank angle, and the vertical axis indicates the valve lift amount. In FIG. 3, the solid line indicates the normal operating characteristics of the intake valve 161, the alternate long and short dash line indicates the operating characteristics when the closing timing of the intake valve 161 is delayed by displacing only the phase, and the broken line indicates the operating angle. The operation characteristic when the valve closing timing of the intake valve 161 is delayed by changing the angle to a large operating angle is shown.
[0038]
When only the phase is displaced to delay the closing timing of the intake valve 161, the opening timing of the intake valve 161 is also delayed. On the other hand, when the operating angle is changed to delay the closing timing of the intake valve 161. The valve opening timing of the intake valve 161 can also be delayed.
[0039]
By fully opening the throttle valve 31 and delaying the closing timing of the intake valve 161, the pumping loss (negative pressure) is significantly reduced in the present embodiment L1 compared to the conventional embodiment L0 as shown in FIG. be able to. Therefore, the output efficiency of the internal combustion engine 10 can be improved.
[0040]
The control unit 40 determines the amount of gasoline fuel for realizing stoichiometric combustion in accordance with the acquired operating state, and as shown in FIG. 3, the fuel is supplied to the intake port 16 during the exhaust stroke via the fuel injection valve IJ. Is injected (step S130). The control unit 40 determines whether or not the combustion state of the internal combustion engine 10 is stable based on the fluctuation of the combustion pressure detected by the combustion pressure sensor 50 (step S140). Specifically, it is determined that the combustion state is not stable when the fluctuation of the combustion pressure is greater than a predetermined fluctuation value, and the combustion state is determined to be stable when it is equal to or less than the predetermined fluctuation value. Is done.
[0041]
When the control unit 40 determines that the combustion state of the internal combustion engine 10 is not stable (step S140: No), the intake port 16 is set via the hydrogen injection valve HIJ in the latter half of the intake stroke as shown in FIG. Is injected with a predetermined amount of hydrogen (step S150). By injecting hydrogen in the latter half of the intake stroke, hydrogen can be weakly stratified in the upper part of the cylinder 11, and the hydrogen concentration in the vicinity of the spark plug 30 can be increased.
[0042]
The control unit 40 determines the ignition timing according to the obtained operating state, executes ignition control for executing spark ignition via the spark plug 30 (step S160), and ends the present processing routine. The ignition performance of gasoline fuel can be improved even when the mixture temperature is low due to the high ignitability of hydrogen, and sufficient (strong) flame propagation can be obtained by the high combustion speed of hydrogen to obtain gasoline in the cylinder 11. Fuel combustion can be stabilized.
[0043]
When it is determined that the combustion state of the internal combustion engine 10 is stable (step S140: Yes), the control unit 40 does not execute the hydrogen injection control but executes the ignition control (step S160) and performs this processing routine. Exit. When the combustion state is stable, a good combustion state can be obtained without adding hydrogen.
[0044]
As described above, according to the internal combustion engine 10 according to the first embodiment, when the internal combustion engine 10 is in the partial load operation state, the throttle valve 31 is fully opened and the closing timing of the intake valve 161 is delayed. Thus, the amount of intake air can be adjusted, and when combustion of the internal combustion engine 10 is not stable, hydrogen fuel is added, so that a stable combustion state can be maintained.
[0045]
Therefore, as indicated by L1 in FIG. 4, the pumping loss caused by the throttle valve 31 when stoichiometric combustion is performed in the partial load operation state can be significantly reduced as compared with the conventional example (L0). In addition, even under conditions where the actual compression ratio decreases with a delay in the closing timing of the intake valve 161, the ignition performance of gasoline fuel can be improved and combustion is stabilized by good flame propagation due to the high combustion speed of hydrogen. Can be improved. As a result, the output efficiency and fuel efficiency of the internal combustion engine can be improved while maintaining a stable combustion state of the internal combustion engine.
[0046]
Further, in the internal combustion engine 10 according to the first embodiment, since the stoichiometric combustion is executed even in the partial load operation state, the exhaust gas can be purified by the commonly used three-way catalyst 32. That is, it is not necessary to separately provide an occlusion reduction type catalyst for purifying Nox, which is required when pumping loss is reduced by lean combustion in a partial load operation state.
[0047]
Furthermore, according to the first embodiment, the hydrogen injection timing is set to the latter half of the intake stroke, and hydrogen is weakly stratified in the upper part of the cylinder during the compression stroke, so that the hydrogen concentration in the vicinity of the spark plug 31 can be increased. Further, the ignition performance of gasoline fuel can be improved.
[0048]
Note that hydrogenation may be performed without determining whether or not the combustion state is stable, that is, when step S140 is omitted and the internal combustion engine 10 is in the partial load operation state. Further, the amount of hydrogen to be added may be a constant value, or may be associated with the combustion pressure, such as increasing the amount of hydrogen as the fluctuation of the combustion pressure increases.
[0049]
Second embodiment:
Next, a combustion control process of the internal combustion engine performed in the internal combustion engine according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a flowchart showing a processing routine of combustion control processing executed in the internal combustion engine according to the second embodiment. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the operating characteristics of the intake and exhaust valves and the hydrogen injection timing in the internal combustion engine according to the second embodiment. FIG. 7 is a PV diagram showing a comparison between the pumping loss of the internal combustion engine according to the second embodiment and the pumping loss of the internal combustion engine according to the conventional example. Since the configuration of the internal combustion engine according to the second embodiment is the same as the configuration of the internal combustion engine 10 according to the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. The second embodiment is different from the first embodiment in that the intake air amount control is performed by advancing the closing timing of the intake valve 161.
[0050]
This processing routine is repeatedly executed at predetermined time intervals. The control unit 40 acquires the operating state of the internal combustion engine 10 via the various sensors 50 to 53 (step S200), and determines whether or not the operating state of the internal combustion engine 10 is in the partial load operating state (light load operating state). Determination is made (step S210). For example, when the accelerator pedal position of the accelerator pedal by the accelerator position sensor 53 is less than ½ of the total depression amount and the engine speed detected by the crank position sensor 52 is low, the partial load operation state is assumed. Determined.
[0051]
If the control unit 40 determines that the operating state of the internal combustion engine 10 is not in the partial load operating state (step S210: No), the control unit 40 ends the present processing routine and executes a normal combustion control process.
[0052]
When the control unit 40 determines that the operation state of the internal combustion engine 10 is in the partial load operation state (step S210: Yes), the control unit 40 fully opens the throttle valve 31 (WOT) and also via the variable valve mechanism 20. The closing timing of intake valve 161 is advanced (advanced) (step S220). The early closing of the intake valve 161 by the variable valve mechanism 20 is executed, for example, as shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the crank angle, and the vertical axis indicates the valve lift amount. In FIG. 6, the solid line indicates the normal operating characteristics of the intake valve 161, the alternate long and short dash line indicates the operating characteristics when the closing timing of the intake valve 161 is advanced by displacing only the phase, and the broken line indicates the operating angle. The operation characteristic when the valve closing timing of the intake valve 161 is advanced by changing the valve to a small operating angle is shown.
[0053]
When the valve closing timing of the intake valve 161 is advanced by changing only the phase, the valve opening timing of the intake valve 161 is also advanced, but it is preferable to suppress the valve overlap amount as much as possible. On the other hand, when the closing angle of the intake valve 161 is advanced by changing the operating angle, the opening timing of the intake valve 161 may not be advanced. When the operating angle is changed, the valve opening timing of the intake valve 161 is not advanced, so that the valve overlap with the exhaust valve 171 is not enlarged, and the unburned fuel (air mixture) to the exhaust port 17 is not increased. The outflow can be prevented and the remaining gas ratio can be reduced.
[0054]
By fully opening the throttle valve 31 and advancing the closing timing of the intake valve 161, as shown in FIG. 7, in this embodiment L2, the pumping loss (negative pressure) is greatly reduced compared to the conventional example L0. be able to. Therefore, the output efficiency of the internal combustion engine 10 can be improved.
[0055]
The control unit 40 determines the amount of gasoline fuel for realizing stoichiometric combustion in accordance with the obtained operating state, and uses a predetermined amount of hydrogen, and as shown in FIG. 4, the fuel injection valve IJ and the hydrogen injection valve Gasoline fuel and hydrogen fuel are simultaneously injected into the intake port 16 through the HIJ in the latter half of the exhaust stroke (step S230).
[0056]
The control unit 40 determines the ignition timing according to the obtained operating state, executes ignition control for executing spark ignition via the spark plug 30 (step S240), and ends the present processing routine.
[0057]
When the valve closing timing of the intake valve 161 is advanced by displacing only the phase, the residual gas ratio is increased by the valve overlap and the flame propagation is delayed as described above. However, in the second embodiment, the hydrogen fuel is injected into the intake port 16 in the latter half of the exhaust stroke, so that it is uniformly dispersed in the cylinder 11, and as a result, good flame propagation is achieved due to the high combustion rate characteristics of hydrogen. Can be realized.
[0058]
As described above, according to the internal combustion engine 10 according to the second embodiment, when the internal combustion engine 10 is in the partial load operation state, the throttle valve 31 is fully opened and the closing timing of the intake valve 161 is advanced. Thus, the amount of intake air can be adjusted, and a stable combustion state can be maintained by adding hydrogen fuel.
[0059]
Therefore, as indicated by L2 in FIG. 7, the pumping loss caused by the throttle valve 31 when the stoichiometric combustion is performed in the partial load operation state can be significantly reduced as compared with the conventional example (L0). In addition, even under conditions where the actual compression ratio decreases with the progress of the closing timing of the intake valve 161, it is possible to improve the ignition performance of gasoline fuel by uniformly dispersing hydrogen in the cylinder 11 and to improve the performance. Combustion stability can be improved by proper flame propagation. As a result, the output efficiency and fuel efficiency of the internal combustion engine can be improved while maintaining a stable combustion state of the internal combustion engine.
[0060]
In addition to this, it is possible to obtain an effect that the exhaust gas can be purified by the three-way catalyst 32 as in the internal combustion engine 10 according to the first embodiment.
[0061]
Third embodiment:
An internal combustion engine according to a third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the internal combustion engine 100 according to the third embodiment. Note that the same components as those of the internal combustion engine 10 according to the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and different points will be described below.
[0062]
First, in each of the above embodiments, the internal combustion engine 10 includes the throttle valve 31, but the internal combustion engine 100 according to the present embodiment does not include the throttle valve 31. That is, in this embodiment, the intake air amount is adjusted by adjusting the closing timing of the intake valve 161 by the variable valve mechanism 20 regardless of the operating state of the internal combustion engine 100. In such a case, a pumping loss due to the throttle valve 31 does not occur, but a pumping loss due to the intake valve 161 occurs. Therefore, in the present embodiment, in the partial load operation state, the pressure loss generated when the intake air passes through the intake valve 161 is reduced by advancing the closing timing of the intake valve 161 and is generated in the intake pipe 18. Reduce pumping loss by reducing negative pressure. After the intake valve 161 is closed, a negative pressure is generated in the cylinder 11 during the intake stroke. However, the negative pressure generated in the sealed space is the energy consumed to generate the negative pressure during the compression stroke. Since it is collected, there is no pumping loss.
[0063]
Further, in the above embodiment, the hydrogen injection device HIJ is disposed at the intake port 16. However, in this embodiment, the hydrogen injection device HIJ ′ can supply (inject) hydrogen directly into the cylinder 11. 16 is arranged in the cylinder head 15 in the vicinity. As a result, when the closing timing of the intake valve 161 is delayed as in the first embodiment, hydrogen can be supplied into the cylinder 11 during the compression stroke, and hydrogen stratification can be achieved. Therefore, the hydrogen concentration in the vicinity of the spark plug 30 can be further increased, and the combustion stability of gasoline fuel can be further ensured.
[0064]
Further, in this embodiment, the combustion pressure sensor 50 is not provided. In this embodiment, when the variation (variation) in the engine speed detected via the crank position sensor 52 exceeds a predetermined value, it is determined that the combustion state in the internal combustion engine 100 is not stable. In order to determine whether the combustion state is stable, it is not necessary to obtain a very accurate combustion pressure, and it is possible to determine whether the combustion state is stable even by variations in engine speed. is there. In such a case, there is an advantage that it is not necessary to separately provide the combustion pressure sensor 50.
[0065]
Other examples:
In the above embodiment, hydrogen gas stored at high pressure in the high-pressure hydrogen tank HT is used, but liquid hydrogen may be used. In the above-described embodiment, pure hydrogen is used. However, a reformer may be mounted on the internal combustion engine 10, 100, and a hydrogen rich gas generated by the reformer may be used.
[0066]
In the above embodiment, gasoline is used as the main fuel, but natural gas or the like may be used.
[0067]
Although the port injection type fuel injection valve IJ is used in the above embodiment, a direct injection type fuel injection valve in which fuel is directly injected into the cylinder 11 may be used.
[0068]
As described above, the internal combustion engine and the combustion control method for the internal combustion engine according to the present invention have been described based on some examples. However, the above-described embodiment is intended to facilitate understanding of the present invention. The present invention is not limited to this. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine according to a first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart showing a processing routine of combustion control processing executed in the internal combustion engine according to the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing operating characteristics of intake valves and exhaust valves and hydrogen injection timing in the internal combustion engine according to the first embodiment.
FIG. 4 is a PV diagram comparing the pumping loss of the internal combustion engine according to the first embodiment and the pumping loss of the internal combustion engine according to the conventional example.
FIG. 5 is a flowchart showing a processing routine of combustion control processing executed in the internal combustion engine according to the second embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing operating characteristics of an intake valve and an exhaust valve and an injection timing of hydrogen in an internal combustion engine according to a second embodiment.
FIG. 7 is a PV diagram showing a comparison between a pumping loss of the internal combustion engine according to the second embodiment and a pumping loss of the internal combustion engine according to the conventional example.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine according to a third embodiment.
[Explanation of symbols]
10, 100 ... Internal combustion engine
11 ... Cylinder
12 ... Cylinder block
13 ... Piston
14 ... Crankcase
15 ... Cylinder head
16 ... Intake port
161: Intake valve
17 ... Exhaust port
171 ... Exhaust valve
18 ... Intake pipe
19 ... Exhaust pipe
20 ... Variable valve mechanism
21 ... Actuator
30 ... Spark plug
31 ... Intake control valve (throttle valve)
32. Three-way catalyst
40 ... Control unit
50 ... Combustion pressure sensor
51 ... Throttle position sensor
52 ... Crank position sensor
53 ... Accelerator position sensor
IC ... Inlet cam
EC ... Exhaust side cam
IJ ... Fuel injector (injector)
FD ... Fuel delivery pipe
HIJ, HIJ '... Hydrogen injection valve
HFD ... Hydrogen delivery pipe
HT ... High pressure hydrogen tank

Claims

An internal combustion engine,
An operating state detecting means for detecting an operating state of the internal combustion engine;
Main fuel supply means for supplying main fuel to the internal combustion engine;
An intake control valve for adjusting the amount of intake air sucked into the internal combustion engine, and when the operation state of the internal combustion engine is detected as a low load operation state, the opening degree is fully opened. An intake control valve;
And at least an intake variable valve operating mechanism capable of changing the closing timing of the valve, when the operating state of the internal combustion engine is detected to be in the low-load operation state, Ru advancing the closing timing of the intake valve A variable valve mechanism;
An internal combustion engine comprising hydrogen supply means for supplying hydrogen to the internal combustion engine when it is detected that the operation state of the internal combustion engine is in a low load operation state.

An internal combustion engine,
  An operating state detecting means for detecting an operating state of the internal combustion engine;
  Main fuel supply means for supplying main fuel to the internal combustion engine;
  An intake control valve for adjusting the amount of intake air sucked into the internal combustion engine, and when the operation state of the internal combustion engine is detected as a low load operation state, the opening degree is fully opened. An intake control valve;
  A variable valve mechanism that can change at least the closing timing of the intake valve, and if it is detected that the operating state of the internal combustion engine is in a low load operating state, the closing timing of the intake valve may be delayed. A variable valve mechanism;
  An internal combustion engine comprising hydrogen supply means for supplying hydrogen to the internal combustion engine when it is detected that the operation state of the internal combustion engine is in a low load operation state.

The internal combustion engine according to claim 1 or 2 ,
The hydrogen supply means is an internal combustion engine that supplies hydrogen to the internal combustion engine in the latter half of the intake stroke when the variable valve mechanism delays the closing timing of the intake valve.

The internal combustion engine according to claim 1 or 2 , further
With one or more cylinders,
The hydrogen supply means is arranged to supply hydrogen directly into the cylinder, and compresses the internal combustion engine when the valve closing timing of the intake valve is delayed by the variable valve mechanism. An internal combustion engine that supplies hydrogen in the process.

The internal combustion engine according to claim 3 or claim 4 further includes
An intake pipe that guides intake air to the internal combustion engine through the intake valve;
The main fuel supply means is an internal combustion engine that supplies main fuel to the intake pipe in an exhaust stroke.

The internal combustion engine according to claim 1 or 2 ,
The hydrogen supply means is an internal combustion engine that supplies hydrogen to the internal combustion engine in synchronization with a supply timing of a main fuel when a closing timing of the intake valve is advanced by the variable valve mechanism.

The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, further comprising:
Combustion state determination means for determining whether fluctuations in combustion pressure in the internal combustion engine are stable,
The hydrogen supply means is an internal combustion engine that does not supply hydrogen to the internal combustion engine when it is determined that the fluctuation of the combustion pressure of the internal combustion engine is stable.

An internal combustion engine,
An operating state detecting means for detecting an operating state of the internal combustion engine;
Main fuel supply means for supplying main fuel to the internal combustion engine;
An intake pipe for guiding intake air to the internal combustion engine;
An intake control valve disposed in the intake pipe and for adjusting an intake air amount;
A variable valve mechanism that can change at least the closing timing of the intake valve;
Pumping loss reducing means for controlling the intake control valve and the variable valve mechanism to reduce the negative pressure of the intake pipe to zero when it is detected that the operation state of the internal combustion engine is in a low load operation state When,
An internal combustion engine comprising hydrogen supply means for supplying hydrogen to the internal combustion engine when it is detected that the operation state of the internal combustion engine is in a low load operation state.

A combustion control method for an internal combustion engine comprising a variable valve mechanism capable of changing at least the operation timing of an intake valve,
Detecting the operating state of the internal combustion engine;
When it is detected that the operating state of the internal combustion engine is in a low load operating state,
Advance the closing timing of the intake valve,
A combustion control method for supplying hydrogen to the internal combustion engine in addition to main fuel.

A combustion control method for an internal combustion engine comprising an intake control valve for adjusting an intake air amount sucked into the internal combustion engine and a variable valve mechanism capable of changing an operation timing of at least the intake valve,
Detecting the operating state of the internal combustion engine;
When it is detected that the operating state of the internal combustion engine is in a low load operating state,
The opening of the intake control valve is fully open,
Early Me the closing timing of the intake valve,
A combustion control method for supplying hydrogen to the internal combustion engine in addition to main fuel.

A combustion control method for an internal combustion engine comprising an intake control valve that adjusts an intake air amount sucked into the internal combustion engine and a variable valve mechanism that can change an operation timing of at least the intake valve,
  Detecting the operating state of the internal combustion engine;
  When it is detected that the operating state of the internal combustion engine is in a low load operating state,
    The opening of the intake control valve is fully open,
    Delay the closing timing of the intake valve,
    A combustion control method for supplying hydrogen to the internal combustion engine in addition to main fuel.