JP4640158B2 - 水素ロータリエンジンの燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素ガスを燃料とする水素ロータリエンジンの燃料噴射装置技術に関する。

吸気ポート噴射式の水素ロータリエンジンでは、燃料が気体であるために吸気ポートから作動室への水素ガスの充填効率が悪くなる。このため、吸気ポートが閉じた後の圧縮行程で作動室に直接水素ガスを噴射する直噴式が採用されている。

しかしながら、直噴式とした場合、作動室内での水素ガスと空気とのミキシングが悪いために、部分的に燃料の濃い領域ができ、そこが火種となって水素ガスが着火する、所謂、過早着火（プリイグニッション）が発生する。

そこで、従来の直噴式の水素ロータリエンジンにおいて、水素ガスを点火プラグから遠い部分に集め、高温化した点火プラグに起因して水素ガスが着火する過早着火を抑制するものがある（特許文献１参照）。
特開平０６−２４１０５５号公報

上記水素ロータリエンジンにおいては、圧縮行程に近づくにつれて圧縮圧力が高くなって作動室内の温度が高くなる。また、圧縮行程となっている作動室と、膨張行程となっている先行する作動室との圧力差が大きいため、プラグホールを介して先行した作動室からプラグホールを介して高温の燃焼ガスが逆流し更に作動室内の温度が高くなる。このため、過早着火が生じやすくなる。

そして、過早着火が発生すると、通常燃焼と比較して筒内最高圧力が２倍程度まで上がるため、作動室内に臨む水素インジェクタが損傷を受け易くなる。特に、水素インジェクタの噴口はゴム製のシール材を介してロータハウジングに装着されているため、シール材が損傷を受け易い。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされ、その目的は、過早着火に伴う火炎や圧力波により水素インジェクタが破損することを抑制できる技術を実現することである。

上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る第１の形態は、作動室に直接水素を噴射供給する水素インジェクタと、前記作動室内に水素を直接噴射供給するよう前記水素インジェクタを制御する噴射制御手段とを備える水素ロータリエンジンの燃料噴射装置であって、前記水素インジェクタは、その噴口が前記作動室内に臨むように、ロータの回転方向に対して垂直方向に並んで配置されている２つの点火プラグの中間位置と偏心軸の中心とを結ぶ線を基準である圧縮上死点とした場合に、前記偏心軸の角度が前記圧縮上死点前１００°〜１３０°のロータハウジングに配設されている。

本発明者の研究によれば、過早着火の発生開始位置は圧縮上死点前１００°以下であることが確認できた。この形態によれば、水素インジェクタを、過早着火が発生を開始する位置である圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１００°〜１３０°のロータハウジングに配設したことにより、過早着火が発生してもその火炎や圧力波の末端に水素インジェクタが位置することになるので、破損等の悪影響を低減できる。

また、第２の形態では、前記水素インジェクタは、その噴口が鉛直方向若しくは鉛直方向よりも吸気側に指向するように配設されている。この形態によれば、水素インジェクタの噴口が点火プラグ側に指向している場合に比べて、過早着火の発生に伴う火炎や圧力波の影響をより低減できる。

また、第３の形態では、前記噴射制御手段は、前記圧縮行程に燃料を噴射する第１噴射と、吸気行程に燃料を噴射する第２噴射とを運転条件に応じて切り替える。この形態によれば、圧縮行程噴射による出力トルク向上と、吸気行程噴射によるエミッション性能の向上とを両立できるタイミングでの燃料噴射が可能となる。

本発明によれば、過早着火に伴う火炎や圧力波による水素インジェクタの破損を抑制することができる。

以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。

［エンジンの構成］
図１は本発明に係る実施形態の水素ロータリエンジンを概略的に示す図、図２は本実施形態の水素ロータリエンジンの一部を示す断面図である。

図１及び図２において、本実施形態の水素ロータリエンジン１は、トロコイド状の内周面を有するロータハウジング２とその両側に配置された平面状の内面を有するサイドハウジング４とを備える。そして、ロータリエンジン１は、３つのサイドハウジング４ａ，４ｂ（インターミディエイトハウジング），４ｃと、ロータハウジング２とにより画成された２つの空間の夫々にロータ６が配置された、所謂、２ロータ式のロータリエンジンを構成している。

各ロータ６は、偏心軸（エキセントリックシャフト）８により支持されて、偏心軸８と共に偏心回転するように構成されている。ロータ６の周囲には、各ハウジング２，４とロータ６とにより囲まれた作動室１０，１１，１２が形成される。各作動室１０，１１，１２の容積は、ロータ６の偏心回転により変化する。そして、各作動室１０，１１，１２における吸気、圧縮、膨張、排気の一連の行程によって、ロータ６が回転することによって偏心軸８が回転され、その回転力が動力として偏心軸８から不図示のドライブシャフトに出力される。

ロータハウジング２には、２つの点火プラグ１４，１５が装着されている。サイドハウジング４には、吸気ポート１６及び排気ポート１８が形成されている。吸気ポート１６には、吸気通路２０が接続されており、吸気通路２０を介して作動室１０内に空気が導入される。また、排気ポート１８には、排気ポート２２が接続されており、排気通路２２を介して作動室１２内の排気ガスが排出される。このような構成は、各ロータ６に対して略同様である。

ロータ６は、図１において時計回りに回転し、図示の状態では作動室１０では圧縮行程、作動室１１では膨張行程が夫々行われる。

２つの点火プラグ１４，１５は、ロータ６の回転方向に対して直列に、即ち、垂直方向に並んで配置されており、ロータハウジング２には点火プラグ１４，１５の夫々に対して、プラグホール１４ａ，１５ａが形成されている。

これら点火プラグ１４，１５及びプラグホール１４ａ，１５ａの配置及び大きさは、当該プラグホール１４ａ，１５ａをロータ６のアペックスシール７が通過する際のガス吹き抜けが少なくなるように定められている。つまり、ロータ６の回転方向に対して後方側（トレーリング側）の点火プラグ１４をアペックスシール７が通過する際には、圧縮行程となっている作動室１０と、膨張行程となっている作動室１１との圧力差が大きく、ガスが吹き抜けやすいので、点火プラグ１４が燃焼室（作動室）から遠い位置に配置され、プラグホール１４ａの径がプラグホール１５ａより小さく形成される。

一方、ロータ６の回転方向に対して前方側（リーディング側）の点火プラグ１５をアペックスシール７が通過する際には、圧縮行程となっている作動室１０と、膨張行程から排気行程に入っている作動室１１との圧力差が小さいので、点火プラグ１５は燃焼室（作動室）に近い位置に配置され、プラグホール１５ａの径が点火プラグ１５の径と同等の大きさに形成される。

各ロータハウジング２には、気体燃料としての水素ガスを作動室１０内に直接噴射する一対（２つ）の直噴式水素ガスインジェクタ４０が装着されている。即ち、インジェクタ４０の噴口４０ａが作動室内に臨み、この噴口４０ａから直接水素ガスが噴射される。

尚、Ｅは偏心軸８の中心、Ｒはロータ６の中心を夫々示している。

［エンジン周辺の構成］
次に、エンジン周辺の構成について説明する。

図３は本実施形態の水素ロータリエンジン及びその周辺の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、吸気通路２０の上流側にはスロットル弁２４が配設され、更にスロットル弁２４の上流側にはエアクリーナ２６が配設される。各インジェクタ４０は、水素ガス供給通路５０を介して水素高圧ガスタンク５２に接続され、この水素高圧ガスタンク５２から水素ガスが供給される。水素高圧ガスタンク５２の排出口には、当該タンク５２から水素ガス供給通路５０への水素ガスの排出を制御するための停止弁５４が設けられ、更に停止弁５４の下流側の水素ガス供給通路５０には、各インジェクタ４０に対する水素ガス供給量（水素供給圧力）を制御する遮断弁５６が配設されている。また、遮断弁５６の下流側の水素ガス供給通路５０には、当該通路内の残圧を検出する水素ガス圧力センサ５８が設けられている。

［制御ブロック］
図３に示すように、インジェクタ４０は、コントロールユニット（Electronic Control Unit；以下、「ＥＣＵ」という）７０に接続されており、ＥＣＵ７０が各インジェクタ４０の噴射の噴射タイミングや噴射量等を制御する。

ロータリエンジン１には、上記水素ガス圧力センサ５８からの水素ガス圧力検出信号、点火プラグ１４，１５に接続されたディストリビュータ７１からの点火検出信号、スロットル弁２４の開度を検出するスロットル開度センサ７２からのスロットル開度検出信号、スロットル弁２４の上流側の吸気通路２０内の吸入空気量を検出するエアフローセンサ７３からの吸気量検出信号、排気通路２２内の排気ガス中の酸素濃度を検出するリニアＯ₂センサ７４からの酸素濃度検出信号、水素ガス供給通路５０内を流れる水素ガスの流量を検出する水素ガス流量計７５からの水素ガス流量検出信号が夫々入力される。

ＥＣＵ７０は、上記点火検出信号からエンジン回転数、スロットル開度検出信号からスロットル弁開度、吸気量検出信号から吸入空気量、酸素濃度検出信号から空燃比（Ａｉｒ／Ｆｕｅｌ）を夫々演算すると共に、これらの演算結果に基づいて、点火プラグ１４，１５（ディストリビュータ７１）、スロットル弁２４、水素ガスインジェクタ４０を制御して、燃料噴射及び空燃比等のエンジン制御を実行する。

尚、ＥＣＵ７０は、上記各検出信号を用いた演算処理を行うＣＰＵ，後述するエンジン制御を実行するプログラムを格納するＲＯＭ，演算結果等を保持するＲＡＭ等を有し、ＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することでエンジン制御を実現する。

［燃料噴射制御］
図４は、本実施形態のインジェクタによる燃料噴射タイミングを示す図であり、図１と同じ構成には同じ符号を付している。

本実施形態では、基本的には高出力化の観点から水素ガスは作動室１０がＢＴＤＣ１８０°付近での圧縮行程（図４（ｂ））で噴射する（基本噴射タイミング）。

一方、作動室１０がＢＴＤＣ２７０°〜２１０°付近の吸気行程後期から圧縮行程初期（図４（ａ））において水素ガスの噴射を開始することで、熱効率、エミッション性能、及び出力トルクのいずれも向上させることができる（第１の噴射タイミング）。

更に、エミッション性能だけが要求される領域では、作動室１０がＴＤＣ付近の完全吸気行程噴射（図４（ｄ））とすることで更にエミッション性能を向上させることができる（第２の噴射タイミング）。

ＥＣＵ７０は、ロータ回転角（偏心軸角度）に基づいてインジェクタ４０の燃料噴射タイミングを制御する。噴射量は、各インジェクタ４０の内部に設けられた不図示の電磁弁の開閉量により調整される。

また、ＥＣＵ７０は、エンジン回転数及びエンジン負荷等の運転条件に基づいて上記基本、第１、第２の噴射タイミングのいずれかに切り替えて各インジェクタ４０を制御する。

これにより、圧縮行程噴射による出力トルク向上と、吸気行程噴射によるエミッション性能の向上とを両立できるタイミングでの燃料噴射を実現している。例えば、低回転領域では図４（ｂ）で示す基本噴射タイミングで、中回転領域では図４（ｄ）で示す第２の噴射タイミングで、高回転領域では図４（ａ）で示す第１の噴射タイミングで噴射することにより、出力トルクとエミッション性能とを両立することができる。尚、一対のインジェクタ４０の各々から噴射できる水素ガス量を変化させるように制御しても良い。

［インジェクタのレイアウト］
次に、本実施形態のインジェクタのレイアウトについて説明する。

図５は、エンジンの燃焼サイクルと過早着火の発生頻度との関係を示す図、図６は、２つのロータのうちフロント側ロータにおける過早着火の発生タイミングを点火信号と筒内（作動室内）圧力で示すタイムチャートである。

図５はエンジン回転数が５０００ｒｐｍ、スロットル弁が全開時での過早着火の開始タイミングを示しており、トレーリング側の点火プラグ１４付近で、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１００°以下（好ましくは、１００°付近）、詳しくはＢＴＤＣ１００°付近で多く発生していることがわかる。そして、図６において、点火タイミングよりも前に筒内圧力が立ち上がり出しているのが過早着火である。このように過早着火が発生すると、筒内（作動室内）最高圧力Ｐ１ｍａｘが通常燃焼時の圧力Ｐ２ｍａｘ（３ＭＰａ程度）の２倍程度まで上がるため、作動室内に臨むインジェクタ４０が損傷を受け易くなる。特に、インジェクタ４０の噴口４０ａはゴム製のシール材を介してロータハウジング４に装着されているため、シール材が損傷を受け易い。

そこで、本実施形態では、図１にも示すように、インジェクタ４０が圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１００°よりも遅角側、好ましくはＢＴＤＣ１００°〜１３０°の作動室１０に臨むように配設されている。換言すると、インジェクタ４０の取付位置が、ＢＴＤＣ９０°（図１のＬ）から遅角側のＢＴＤＣ１００°〜１３０°の方向に平行にシフトしている。

これにより、インジェクタ４０は、過早着火が発生した時の火炎と圧力波を受けにくい、ＢＴＤＣ１００°〜１３０°において作動室１０内の末端に位置するように配置される。よって、過早着火が発生してもその火炎や圧力波の末端にインジェクタが位置することになるので、破損等の悪影響を低減できる。

つまり、図４で説明したエンジン性能（熱効率、エミッション性能、出力トルク）の要求に基づいて、吸気行程から圧縮行程初期において燃料噴射を実行できる範囲が、ＢＴＤＣ１００°以下で２０°〜３０°であり、これによって熱効率、エミッション性能、及び出力トルクの両立が可能となる。

更に、インジェクタ４０は、水素ガスを作動室内に噴射する先端の噴口４０ａ（燃料噴射方向）が鉛直方向（図１の実線）若しくは鉛直方向Ｌ（つまり、ＢＴＤＣ９０°）よりも吸気側（図１の点線）に指向（傾斜）するように配設されている。これにより、インジェクタ４０の噴口４０ａが点火プラグ側に指向している従来の構成（図７の４０’）に比べて、過早着火の発生に伴う火炎や圧力波の影響をより低減できる。図７は、従来のインジェクタレイアウトを図１に対応させて示した図であり、図１と同じ構成には同じ符号を付している。

尚、作動室毎に取り付けられた一対のインジェクタ４０について、一方を鉛直方向、他方を鉛直線より吸気側に指向する方向に夫々互いに異なる角度でロータハウジング２に取り付けても良い。

本発明に係る実施形態の水素ロータリエンジンを概略的に示す図である。 本実施形態の水素ロータリエンジンの一部を示す断面図である。 本実施形態の水素ロータリエンジン及びその周辺の構成を示すブロック図である。 本実施形態のインジェクタによる燃料噴射タイミングを示す図である。 エンジンの燃焼サイクルと過早着火の発生頻度との関係を示す図である。 過早着火の発生タイミングを筒内（作動室内）圧力で示すタイムチャートである。 従来のインジェクタレイアウトを図１に対応させて示す図である。

符号の説明

１ 水素ロータリエンジン
２ ロータハウジング
４，４ａ，４ｂ，４ｃ サイドハウジング
６ ロータ
１０，１１，１２ 作動室
１４，１５ 点火プラグ
１６ 吸気ポート
１８ 排気ポート
２４ スロットル弁
４０ 直噴式水素ガスインジェクタ
７０ ＥＣＵ
７１ ディストリビュータ
７２ スロットル開度センサ
７３ エアフローセンサ
７４ リニアＯ₂センサ
７５ 水素ガス流量計

Claims (3)

1. 作動室に直接水素を噴射供給する水素インジェクタと、前記作動室内に水素を直接噴射供給するよう前記水素インジェクタを制御する噴射制御手段とを備える水素ロータリエンジンの燃料噴射装置であって、
   前記水素インジェクタは、その噴口が前記作動室内に臨むように、ロータの回転方向に対して垂直方向に並んで配置されている２つの点火プラグの中間位置と偏心軸の中心とを結ぶ線を基準である圧縮上死点とした場合に、前記偏心軸の角度が前記圧縮上死点前１００°〜１３０°のロータハウジングに配設されていることを特徴とする水素ロータリエンジンの燃料噴射装置。
2. 前記水素インジェクタは、その噴口が鉛直方向若しくは鉛直方向よりも吸気側に指向するように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の水素ロータリエンジンの燃料噴射装置。
3. 前記噴射制御手段は、前記圧縮行程に燃料を噴射する第１噴射と、吸気行程に燃料を噴射する第２噴射とを運転条件に応じて切り替えることを特徴とする請求項１に記載の水素ロータリエンジンの燃料噴射装置。

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