JP4461948B2 - 水素添加内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、水素添加内燃機関に関する。

ガソリンと空気とによって形成された燃料混合気に水素を添加することにより、着火性を向上させて燃料混合気のリーンリミットを向上させる内燃機関が知られている。このような内燃機関において、特開２００４−６８６１５号公報には、水素の噴射を火炎伝播経路の端末となるシリンダ壁面に沿って行い、後期燃焼速度を高めることで、エンドガスの自着火によるノッキングを防ぐようにした技術が開示されている。

特開２００４−６８６１５号公報 特開平７−６３１２８号公報 特開平２００４−７６６７９号公報

しかしながら、上記公報に記載された技術では、水素をシリンダ内の周辺に向かって複数箇所から噴射するため、装置の構成が大掛かりとなり、装置の大型化、製造コストの増大の要因となるという問題が生じる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、簡素な構成で筒内の燃焼速度を高めることで、ノッキングの発生を抑止することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関であって、吸気ポートに炭化水素燃料を噴射する第１の噴射弁と、筒内に水素ガスを噴射する第２の噴射弁と、筒内に設けられた点火プラグと、を備え、前記第２の噴射弁から噴射される水素ガスの少なくとも一部を前記点火プラグに向けて噴射することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記第２の噴射弁が筒内の燃焼室の中央に設けられたことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記第２の噴射弁は、前記燃焼室の中央から放射状に水素ガスを噴射することを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記点火プラグが前記第２の噴射弁の近傍に設けられたことを特徴とする。

第５の発明は、第１の発明において、前記第２の噴射弁は、筒内の周辺部に設けられ、少なくとも反対側の筒内壁面に達するように水素ガスを噴射することを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、前記点火プラグが筒内の燃焼室の中央に設けられたことを特徴とする。

第１の発明によれば、水素ガスの少なくとも一部を点火プラグに向けて噴射するようにしたため、点火プラグによる着火を行うと、火炎は火炎伝播速度の速い水素噴流を伝わって伝播し、更に筒内の炭化水素燃料へ伝播することになる。従って、非常に短時間の間に燃焼室１６の全域で火炎を発生させることができ、熱効率を向上させるとともに、ノッキングの発生を確実に抑止することができる。

第２の発明によれば、第２の噴射弁を燃焼室の中央に設けたため、燃焼室の中央から周辺に向けて水素噴流を形成することができる。従って、点火プラグによって水素噴流へ着火することで、燃焼室の中央から周辺に向けて瞬時に火炎を伝播させることができる。

第３の発明によれば、燃焼室の中央から放射状に水素ガスを噴射するため、放射状に形成された水素噴流に沿って燃焼室の半径方向に火炎を伝播させることができ、更に水素噴流の火炎は燃焼室の周方向に伝播するため、周方向に隣接する炭化水素燃料の混合気へ火炎を伝播させることができる。従って、筒内の全域に急速に火炎を伝播させることができる。

第４の発明によれば、点火プラグを第２の噴射弁の近傍に設けたため、第２の噴射弁から噴射された水素ガスが筒内の炭化水素燃料の混合気と混合される以前に水素ガスに着火することができる。従って、火炎伝播速度の速い水素噴流に確実に火炎を伝播させることができる。

第５の発明によれば、第２の噴射弁を筒内の周辺部に設け、少なくとも反対側の筒内壁面に向けて水素ガスを噴射するようにしたため、筒内を横切るように水素噴流を形成することができる。従って、点火プラグによる着火を行うことで、筒内を横切るように火炎を伝播させることができ、更に隣接する炭化水素燃料の混合気へ火炎を伝播させることができる。これにより、筒内の全域に急速に火炎を伝播させることができる。

第６の発明によれば、点火プラグを燃焼室の中央に設けたため、点火プラグによって水素噴流へ着火することで、水素噴流に沿って燃焼室の中央から周辺に火炎を伝播させることができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素添加内燃機関１０を備えたシステムの構成を説明するための図である。内燃機関１０の筒内には、その内部を往復運動するピストン１２が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１４との間には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気ポート１８および排気ポート２０が連通している。吸気ポート１８および排気ポート２０には、それぞれ吸気弁２２および排気弁２４が配置されている。

吸気ポート１８には、ポート内にガソリン（炭化水素燃料）を噴射するガソリン噴射弁２６が配置されている。また、シリンダヘッド１４には、筒内に水素を噴射する水素燃料筒内噴射弁３０が配置されている。

ガソリン噴射弁２６には、ガソリン供給管３２を介してガソリンタンク３４が連通している。ガソリン供給管３２は、ガソリン噴射弁２６とガソリンタンク３４との間に、ポンプ３６を備えている。ポンプ３６は、ガソリン噴射弁２６に所定の圧力でガソリンを供給することができる。このため、ガソリン噴射弁２６は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを吸気ポート１８内に噴射することができる。

本実施形態のシステムは、気体状態にある水素を高圧で貯留するための水素タンク３８を備えている。水素タンク３８には、水素供給管４０が連通している。水素供給管４０は水素燃料筒内噴射弁３０に連通している。尚、本実施形態のシステムでは、水素燃料筒内噴射弁３０に供給される水素燃料として、外部から水素タンク３８内に充填される水素ガスを使用しているが、水素燃料はこれに限定されるものではなく、車両上で生成、あるいは外部より供給される高濃度の水素を含む水素リッチガスを使用するものであってもよい。

水素供給管４０には、水素タンク３８と水素燃料筒内噴射弁３０との間に、レギュレータ４４が配置されている。このような構成によれば、水素燃料筒内噴射弁３０には、レギュレータ４４により減圧された所定の圧力で、水素タンク３８内にある水素が供給される。このため、水素燃料筒内噴射弁３０は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素を筒内に噴射することができる。

また、水素供給管４０には、レギュレータ４４と水素燃料筒内噴射弁３０との間に、燃圧センサ４８が配置されている。燃圧センサ４８は、水素燃料筒内噴射弁３０に供給される水素の圧力に応じた出力を発するセンサである。本実施形態のシステムでは、燃圧センサ４８が発する出力に基づいてレギュレータ４４を制御することとしている。このため、水素タンク３８から供給される水素の圧力が変動する場合であっても、水素燃料筒内噴射弁３０に安定した圧力で水素を供給することができる。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述した燃圧センサ４８に加え、内燃機関１０の運転状態を把握すべく、ノッキングの発生を検知するKCSセンサや、スロットル開度、機関回転数、排気温度、冷却水温度、潤滑油温度、触媒床温度などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されている。また、ＥＣＵ５０には、上述したガソリン噴射弁２６、水素燃料筒内噴射弁３０、ポンプ３６、レギュレータ４４などのアクチュエータが接続されている。このような構成によれば、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転状態に応じて、燃料噴射を実行する噴射弁を任意に選択することができ、各種センサの出力に基づいて各アクチュエータを駆動することができる。

図２は、燃焼室１６を下側から見た状態を示す模式図であって、圧縮工程において水素燃料筒内噴射弁３０から水素が噴射された直後の様子を示している。燃焼室１６の中央に配置された水素燃料筒内噴射弁３０からは、燃焼室１６の周辺に到達するように半径方向に放射状に水素が噴射される。これにより、図２に示すように、水素が噴射された４つの方向に水素噴流５２が形成される。

筒内での気流に依存することなく水素噴流５２を形成するためには、水素燃料筒内噴射弁３０から高圧の水素を噴射することが好適である。放射状に水素を噴射する際の噴射方向は、４方向に限定されるものではなく、燃焼室１６の容積、水素の噴射量などに応じて適宜噴射方向を決定することができる。

また、図２に示す状態において、燃焼室１６内には吸気行程で吸入されたガソリンと空気の混合気が滞留している。従って、水素噴流５２の周縁部はガソリンと空気の混合気と接触している。

図２に示すように、放射状に形成された水素噴流５２の１つと接触する位置に点火プラグ５４が配置されている。すなわち、本実施形態では、水素ガスが点火プラグ５４に向けて噴射されるように、水素燃料筒内噴射弁３０からの水素ガスの噴射方向と点火プラグ５４の位置が規定されている。

図２の状態から点火プラグ５４による着火を行うと、点火プラグ５４が接触している水素噴流５２と、水素燃料筒内噴射弁３０の近傍で隣接している他の水素噴流５２に火炎が発生する。このとき、水素の火炎伝播速度はガソリンの９倍程度と速いため、火炎は先ず水素噴流５２に沿って燃焼室１６の半径方向に放射状に広がり、水素噴流５２の全域に到達する。また、同時に水素噴流５２の火炎は燃焼室１６の周方向に広がり、周方向に隣接するガソリンの混合気へ伝播する。これにより、筒内の全域で燃焼が行われる。

このように、燃焼室１６内に水素噴流５２を形成し、この水素噴流５２に点火することで、水素噴流５２が形成された領域に火炎を瞬時に伝播させることができる。図２の例では、水素噴流５２を燃焼室１６の中心から周辺に向けて放射状に形成しているため、燃料室１６の中心部から周辺部に火炎を瞬時に到達させることができる。

また、点火プラグ５４とガソリンの混合気との間に火炎伝播速度の速い水素噴流５２を介在させているため、火炎伝播距離を著しく短縮することができ、点火プラグ５４から比較的遠い位置に存在するガソリンの混合気に対しても瞬時に火炎を伝播させることができる。これにより、燃焼速度増大効果を得ることができ、点火プラグ５４による着火の後、非常に短時間の間に燃焼室１６の全域で火炎を発生させることができる。従って、熱効率を向上させることができ、ノッキングの発生を確実に抑止することができる。

図２において、水素噴流５２における速い火炎伝播を最大限に発揮させるためには、噴射された水素が筒内のガソリンの混合気中に拡散する以前に水素噴流５２に着火することが好適である。このため、水素燃料筒内噴射弁３０は点火プラグ５４の近傍に配置することが望ましい。ただし、水素噴流５２の先端側に点火プラグ５４を設けた場合であっても、水素の噴射タイミング、噴射量、点火のタイミング等を適宜調整することで、水素噴流５２への着火は可能である。従って、これらのパラメータに基づいて点火プラグ５４の位置は適宜設定することができる。

なお、水素燃料筒内噴射弁３０と点火プラグ５４が近接し過ぎていると、水素と筒内の空気が混ざる以前に点火が行われ、水素噴流５２への着火性が低下する場合がある。従って、水素燃料筒内噴射弁３０と点火プラグ５４は一定の距離だけ離間させることが望ましい。または、水素燃料筒内噴射弁３０と点火プラグ５４を接近させた場合は、水素を噴射した後、水素と空気が混ざる程度の時間が経過した後に着火することが好適である。

以上説明したように実施の形態１によれば、燃焼室１６内に放射状に水素噴流５２を形成し、水素噴流５２に対して着火を行うようにしたため、火炎伝播速度の速い水素噴流５２の全域に瞬時に火炎を生じさせることができる。また、水素噴流５２に隣接するガソリンの混合気には、水素噴流５２で発生した火炎が伝播するため、点火プラグ５４から離れた位置においても、水素噴流５２の火炎を介してガソリンの混合気に瞬時に火炎を伝播させることができる。従って、非常に短時間の間に燃焼室１６の全域で火炎を発生させることができ、熱効率を向上させるとともに、ノッキングの発生を確実に抑止することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。図３は、実施の形態２に係る水素添加内燃機関１０を備えたシステムの構成を説明するための図である。図３に示すように、実施の形態２では水素燃料筒内噴射弁３０を筒内の周辺部に設けている。その他の基本構成は実施の形態１で説明した図１の構成と同様である。

図４は、実施の形態２の水素添加内燃機関１０において、燃焼室１６を下側から見た状態を示す模式図である。図４は、図２と同様に、圧縮工程において水素燃料筒内噴射弁３０から水素が噴射された直後の様子を示している。

図４に示すように、筒内の周辺部に配置した水素燃料筒内噴射弁３０から、少なくとも反対側の筒内壁面に向けて水素が噴射される。図４の例では、水素燃料筒内噴射弁３０から３方向に向けて水素を噴射するようにしている。これにより、図４に示すように、水素燃料筒内噴射弁３０から３方向に向けて水素噴流５２が形成される。

図４に示すように、３つの水素噴流５２のうち、中心に位置する水素噴流５２と接触する位置に点火プラグ５４が配置されている。すなわち、実施の形態２においても、水素ガスが点火プラグ５４に向けて噴射されるように、水素燃料筒内噴射弁３０からの水素ガスの噴射方向と点火プラグ５４の位置が規定されている。

そして、図４の状態から点火プラグ５４による着火を行うと、点火プラグ５４が接触している水素噴流５２と、水素燃料筒内噴射弁３０の近傍で隣接している他の水素噴流５２に火炎が発生し、火炎伝播速度の速い水素噴流５２を伝わって火炎が燃焼室１６を横切って伝播する。これにより、実施の形態１と同様に火炎は３つの水素噴流５２の全域に到達し、更に隣接するガソリンの混合気へ伝播し、筒内の全域で急速に燃焼が行われる。

このように、水素燃料筒内噴射弁３０を筒内の周辺部に設け、筒内壁面に向けて燃焼室１６を横切るように水素噴流５２を形成しても良い。この場合においても、水素噴流５２に生じさせた火炎をガソリンの混合気へ伝播させることで、燃焼室１６内の全域に瞬時に火炎を生じさせることができる。従って、燃焼室１６内の全域に急速に火炎を伝播させることができ、熱効率を向上させるとともに、ノッキングの発生を確実に抑止することが可能となる。

実施の形態２では、図４に示すように、点火プラグ５４を燃焼室１６の中央に設けている。これにより、燃焼室１６の周辺にほぼ同時期に火炎を到達させることができ、燃焼室１６内で均一な燃焼を行うことができる。ただし、実施の形態１と同様に、水素の噴射タイミング、噴射量、点火のタイミング等に基づいて、点火プラグ５４の位置は適宜設定することが可能である。

以上説明したように実施の形態２によれば、燃焼室１６内の周辺部から中心部、周辺部に向けて水素噴流５２を形成し、水素噴流５２に対して着火を行うようにしたため、火炎伝播速度の速い水素噴流５２の全域に瞬時に火炎を生じさせることができる。そして、水素噴流５２に隣接するガソリンの混合気には、水素噴流５２で発生した火炎が伝播するため、点火プラグ５４から離れた位置においても、水素噴流５２の火炎を介してガソリンの混合気に瞬時に火炎を伝播させることができる。従って、非常に短時間の間に燃焼室１６の全域で火炎を発生させることができ、熱効率を向上させるとともに、ノッキングの発生を確実に抑止することができる。

なお、実施の形態１，２では、燃焼室１６内の１箇所に水素燃料筒内噴射弁３０を設けているが、複数箇所に水素燃料筒内噴射弁３０を設けて、各水素燃料筒内噴射弁３０から複数の方向へ水素を噴射しても良い。また、水素燃料筒内噴射弁３０から水素を広角状（扇状）に噴射して、１方向に噴射された水素がより広範囲に供給されるようにしても良い。

本発明の実施の形態１に係る水素添加内燃機関を備えたシステムの構成を示す模式図である。 実施の形態１の水素添加内燃機関において、燃焼室を下側から見た状態を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る水素添加内燃機関を備えたシステムの構成を示す模式図である。 実施の形態２の水素添加内燃機関において、燃焼室を下側から見た状態を示す模式図である。

符号の説明

１０ 水素添加内燃機関
１６ 燃焼室
２６ ガソリン噴射弁
３０ 水素燃料筒内噴射弁
５２ 水素噴流
５４ 点火プラグ

Claims (6)

1. 燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関であって、
   吸気ポートに炭化水素燃料を噴射する第１の噴射弁と、
   筒内の燃焼室の周辺部に向けて水素ガスを噴射し、前記燃焼室の周辺部に到達する水素噴流を形成する第２の噴射弁と、
   筒内に設けられた点火プラグと、を備え、
   前記第２の噴射弁は、前記水素ガスの少なくとも一部を前記点火プラグに向けて噴射し、前記点火プラグは、前記水素噴流に点火することにより当該水素噴流を介して前記燃焼室の周辺部に火炎を伝播させる構成としたことを特徴とする水素添加内燃機関。
2. 前記第２の噴射弁が筒内の燃焼室の中央に設けられたことを特徴とする請求項１記載の水素添加内燃機関。
3. 前記第２の噴射弁は、前記燃焼室の中央から放射状に水素ガスを噴射することを特徴とする請求項２記載の水素添加内燃機関。
4. 前記点火プラグが前記第２の噴射弁の近傍に設けられたことを特徴とする請求項２又は３記載の水素添加内燃機関。
5. 前記第２の噴射弁は、筒内の周辺部に設けられ、少なくとも反対側の筒内壁面に達するように水素ガスを噴射することを特徴とする請求項１記載の水素添加内燃機関。
6. 前記点火プラグが筒内の燃焼室の中央に設けられたことを特徴とする請求項５記載の水素添加内燃機関。

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