JP7419912B2

JP7419912B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP7419912B2
Application number: JP2020052929A
Authority: JP
Inventors: 亮太崎坂
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: JP2021152351A

Description

本発明は、内燃機関に関するものである。

従来、下記特許文献１に記載の内燃機関が知られている。この内燃機関は、希薄燃焼で運転すべく、主燃焼室と、当該主燃焼室に連通すると共に主燃焼室よりも小容積の副燃焼室とを備える。主燃焼室には、燃料が希薄な混合気が導入され、副燃焼室には着火性が高い改質燃料が供給される。そして、副燃焼室の改質燃料が点火され、改質燃料の燃焼で発生する火炎の熱量によって主燃焼室の混合気が着火する。

特開2006-329116号公報特開2000-008960号公報特開2007-032453号公報特開2018-172973号公報特許第4609357号公報

しかしながら、この種の内燃機関では、副燃焼室における前サイクルでの燃焼後の残留ガスが十分に掃気されない場合がある。そうすると、副燃焼室内の改質燃料の当量比が不安定になり、改質燃料が安定して着火しない可能性がある。そしてその結果、内燃機関の安定した希薄燃焼が行われない場合がある。

本発明は、安定した希薄燃焼を行う内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、主燃焼室と当該主燃焼室に連通された副燃焼室とを備え、副燃焼室内の点火用燃料に点火して発生させた火炎により主燃焼室内の混合気に着火させる内燃機関であって、主燃焼室に空気を供給する吸気口を開閉する吸気バルブと、副燃焼室に点火用燃料として水素含有ガスを供給するガス供給部と、ガス供給部から副燃焼室への水素含有ガスの供給路を開閉するガス供給バルブと、を備え、１サイクル内において、ガス供給バルブの開度が最大になるタイミングが吸気バルブの開度が最大になるタイミングよりも早く、且つガス供給バルブの開度が吸気バルブの開度よりも大きい期間が存在する。

また、１サイクル内においては、ガス供給バルブの開き始めのタイミングが吸気バルブの開き始めのタイミングよりも早いこととしてもよい。また、ガス供給部からの水素含有ガスの供給圧力は、吸気口への空気の供給圧力よりも低いこととしてもよい。また、本発明の内燃機関は、吸気バルブの開閉を機械的に制御する吸気バルブ駆動機構と、ガス供給バルブの開閉を電気的に制御するガス供給バルブ制御部と、を備えることとしてもよい。

本発明によれば、安定した希薄燃焼を行う内燃機関を提供することができる。

実施形態に係るエンジンを模式的に示す図である。図１のエンジンのガス供給バルブ及び吸気バルブの開閉動作を示すタイミングチャートである。（ａ），（ｂ）は、それぞれ変形例に係るエンジンのガス供給バルブ及び吸気バルブの開閉動作を示すタイミングチャートである。変形例に係るエンジンを模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る内燃機関の一実施形態として４サイクルのレシプロエンジンであるガソリンエンジン１について詳細に説明する。特に、エンジン１は、リーンバーンエンジンと呼ばれるものであり、燃費向上やＮＯ_Ｘ低減を目的として理論空燃比よりも希薄な混合気での運転を行う。図１は、エンジン１を模式的に示す断面図である。

図１に示されるように、エンジン１は、シリンダ３と、シリンダ３内で往復動するピストン５と、ピストン５の往復動をクランクシャフト（図示せず）に伝達するコネクティングロッド７と、を備えている。また、エンジン１は、シリンダ３とピストン５とで囲まれた空間である主燃焼室１１と、主燃焼室１１に空気を供給する吸気口１３と、主燃焼室１１から排気ガスを排出する排気口１５と、を備えている。

また、エンジン１は、吸気口１３を開閉する吸気バルブ１７と、吸気バルブ１７を開閉動作させる吸気バルブ駆動機構１９と、排気口１５を開閉する排気バルブ２１と、排気バルブ２１を開閉動作させる排気バルブ駆動機構２３と、を備えている。吸気バルブ駆動機構１９及び排気バルブ駆動機構２３としては、例えば、カムシャフトを含む公知の機構が採用されてもよい。また、エンジン１には過給機２４が接続されており、過給機２４は吸気口１３を通じて圧縮した空気を主燃焼室１１に供給する。

更に、エンジン１は、主燃焼室１１に比較して小容積に形成された副燃焼室２５を備えている。副燃焼室２５は、主燃焼室１１から見てピストン５とは反対側に配置されている。副燃焼室２５は、吸気口１３と排気口１５との間に位置する境界壁２７で主燃焼室１１と仕切られると共に、境界壁２７を貫通して設けられた噴射孔２９を通じて主燃焼室１１と連通されている。

副燃焼室２５において境界壁２７に対向する壁面には、副燃焼室２５内に点火用燃料としての水素含有ガスを供給するガス供給口３１と、当該水素含有ガスに点火するためのプラグ３３が設けられている。水素含有ガスとは、少なくとも水素ガスを含む気体である。この水素含有ガスは、ほぼ水素ガスのみからなる気体であってもよく、ガソリンが改質されて発生する合成ガス（シンガス）であってもよい。

ガス供給口３１には上記水素含有ガスを副燃焼室２５に供給するためのガス供給部３５が接続されている。本実施形態では、ガス供給部３５は燃料改質器であり、ガス供給部３５はガソリンを改質して水素ガスを得るものとする。従って、本実施形態における上記水素含有ガスは、ガソリンの改質によって生成される合成ガス（シンガス：主に水素ガスとＣＯガスとの混合物）である。ガス供給口３１とガス供給部３５とを結ぶガス供給路３７上には、当該ガス供給路３７を開閉するガス供給バルブ３９が設けられている。また、ガス供給バルブ３９の開閉動作を制御するバルブ制御部４１（例えばコンピュータ）が設けられている。ガス供給部３５には過給機２４からの圧縮空気が分岐して供給されており、ガス供給部３５からの水素含有ガスは、上記圧縮空気の圧力を利用してガス供給口３１を通じ副燃焼室２５に供給される。

例えば、ガス供給バルブ３９は電磁バルブであり、バルブ制御部４１（ガス供給バルブ制御部）からの電気信号に基づいてガス供給バルブ３９の開閉動作が電気的に制御される。バルブ制御部４１は、予め定められたプログラムに従って動作することで、クランクシャフトの回転位相を検知して適切なタイミングでガス供給バルブ３９に電気信号を送信する。上記のバルブ制御部４１のプログラムによってガス供給バルブ３９の開閉動作のタイミングが設定される。

上述のエンジン１では、主燃焼室１１内に、霧状のガソリンと空気とが混合された混合気が充填される。このとき、空気は吸気バルブ１７が開かれた吸気口１３を通じて主燃焼室１１内に供給される。また、霧状のガソリンは、吸気口１３の上流側に設けられたインジェクタ（図示せず）から当該吸気口１３を通じて主燃焼室１１内に噴射されてもよく、主燃焼室１１内に設けられたインジェクタから主燃焼室１１内に直接噴射されてもよい。その一方で、副燃焼室２５内にはガス供給部３５から供給された水素含有ガスが導入される。

そして、燃焼行程では、プラグ３３によって副燃焼室２５内の水素含有ガスに点火され、当該水素含有ガスの燃焼で発生した火炎が噴射孔２９を通じて主燃焼室１１側に噴出されることで、当該火炎の熱量によって主燃焼室１１内の混合気が着火する。前述したように、主燃焼室１１内に充填される混合気は理論空燃比よりも希薄であるので着火性が悪いが、上記のように副燃焼室２５で比較的着火しやすい水素含有ガスに点火して火炎を発生させることで、当該火炎の高い熱量によって上記混合気が確実に着火する。

ここで、副燃焼室２５への水素含有ガスの供給について考える。ガス供給部３５からの水素含有ガスの供給と、吸気口１３への空気の供給と、は共に過給機２４の圧力を利用したものであるので、両者の供給圧力は概ね等しいと考えられる。しかしながら、現実には、ガス供給部３５における圧力損失に起因して、ガス供給部３５からの水素含有ガスの供給圧力は、吸気口１３への空気の供給圧力よりも低い。そうすると、副燃焼室２５への水素含有ガスと主燃焼室１１への空気とを仮に同時に供給しようとすれば、水素含有ガスの供給圧力の不足により副燃焼室２５への水素含有ガスの導入が円滑に行われない可能性がある。

この種のエンジン１では、前サイクルにおける燃焼後の残留ガス（例えば、水蒸気など）が副燃焼室２５に残り易い傾向にある。副燃焼室２５の水素含有ガスが安定して着火するためには、上記残留ガスを十分に掃気し、副燃焼室２５内に十分に水素含有ガスが導入される必要がある。そこで、副燃焼室２５内に十分な水素含有ガスを導入するために、エンジン１の１サイクル内においては、次に説明するような条件１及び条件２が両方とも満足されるようにガス供給バルブ３９の開閉動作が設定されている。ここでは、エンジン１の燃焼行程から次の燃焼行程までの期間を１サイクルとする。

（条件１）エンジン１の１サイクル内において、ガス供給バルブ３９の開度が最大になるタイミングが吸気バルブ１７の開度が最大になるタイミングよりも早い。
（条件２）エンジン１の１サイクル内において、ガス供給バルブ３９の開度が吸気バルブ１７の開度よりも大きい期間が存在する。

具体的には、本実施形態のエンジン１では、条件１及び条件２を両方とも満足すべく、図２のタイミングチャートに示されるようにガス供給バルブ３９の開閉動作のタイミングが設定されている。図２に示されるように、エンジン１のガス供給バルブ３９は、時刻ｔ４で開き始め、時刻ｔ２で開度１００％に達して閉じ始め、時刻ｔ６で閉じ終わる。また、吸気バルブは、時刻ｔ３で開き始め、時刻ｔ１で開度１００％に達して閉じ始め、時刻ｔ５で閉じ終わる。時刻ｔ４から時刻ｔ５までがほぼエンジン１の吸気行程に対応する。図２に示されるように、エンジン１の吸気行程では、ガス供給バルブ３９の開度が最大になるタイミング（時刻ｔ２）が吸気バルブ１７の開度が最大になるタイミング（時刻ｔ１）よりも早い。更に、吸気行程には、ガス供給バルブ３９の開度が吸気バルブ１７の開度よりも大きい期間（時刻ｔ４から時刻ｔ９までの間）が存在している。

このように条件１及び条件２を両方とも満足するエンジン１の作用効果について説明する。吸気バルブ１７を通じて混合気が供給される時の主燃焼室１１の圧力は、時刻ｔ１付近で最大に達しそれ以降はほぼ低下しないと考えられる。エンジン１では、上記の時刻ｔ１よりも前で主燃焼室１１の圧力がまだ低い時期（時刻ｔ４から時刻ｔ９までの間）に、吸気バルブ１７よりも大きい開度でガス供給バルブ３９が開かれるので、主燃焼室１１の圧力よりも高い供給圧力をもって副燃焼室２５内に水素含有ガスが円滑に供給される。そして、副燃焼室２５内に残っていた残留ガスは供給された水素含有ガスにより噴射孔２９を通じて主燃焼室１１側に円滑に押出され、副燃焼室２５内には水素含有ガスが充填される。

その後、水素含有ガスの拡散と主燃焼室１１への空気の供給により、副燃焼室２５の水素含有ガスと主燃焼室１１の空気とが噴射孔２９を通じて一部入れ替わり、副燃焼室２５内では水素含有ガスと空気とが適切に混合された状態となる。なお、水素ガスは比較的拡散性が高い気体であるので、上記のような空気との入れ替わりが円滑に生じる。このように、副燃焼室２５内には空気と適切に混合された水素含有ガスが存在することになるので、プラグ３３の点火によって確実に着火される。その結果、エンジン１では、安定した希薄燃焼が行われる。

また、水素ガスは着火性が高く、ガソリン等に比較して着火可能な濃度の範囲が広い。従って、仮に副燃焼室２５内の水素濃度にバラツキが発生したとしても、比較的確実に着火される。このような観点で、副燃焼室２５の点火用燃料として水素含有ガスを採用するエンジン１は、ガソリン等を点火用燃料として採用する場合に比較して優れている。

条件１及び条件２を両方とも満足する形態の例は、図２のものには限定されない。例えば、図３（ａ）に示されるように、エンジン１の１サイクル内において、ガス供給バルブ３９の開き始めのタイミング（時刻ｔ４）が吸気バルブ１７の開き始めのタイミング（時刻ｔ３）よりも遅いこととしてもよい。この場合、図３（ａ）に示される時刻ｔ８から時刻ｔ９までの間が、ガス供給バルブ３９の開度が吸気バルブ１７の開度よりも大きい期間として存在する。また例えば、図３（ｂ）に示されるように、ガス供給バルブ３９の最大開度が１００％に達しないようにガス供給バルブ３９が開閉されてもよい。これら図３（ａ），（ｂ）に示される形態によっても、本実施形態の作用効果が得られる。

また、本実施形態のエンジン１では、下記の条件３も満足されている。
（条件３）エンジン１の１サイクル内において、ガス供給バルブ３９の開き始めのタイミングが吸気バルブ１７の開き始めのタイミングよりも早い。
エンジン１では、ガス供給バルブ３９の開き始めのタイミング（時刻ｔ４）が吸気バルブ１７の開き始めのタイミング（時刻ｔ３）よりも早い。このように、エンジン１では、条件３が満足されることによりガス供給バルブ３９の開閉の制御が容易になる。なお、この条件３は、図３（ｂ）に示される形態においても満足されている。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、実施形態では、ガス供給部３５はガソリンを原料として水素ガスを得る燃料改質器であったが、ガス供給部３５は例えば水素タンクといったような、水素ガスを貯蔵しているものであってもよい。この場合、過給機２４からガス供給部３５へ付与される空気の圧力は無くてもよい。また、ガス供給部３５は、燃料改質以外の他の手法（例えば、水の電気分解など）で水素ガスを得るものであってもよい。

また、実施形態では、ガス供給バルブ３９は電気信号で開閉動作する電磁バルブであったが、ガス供給バルブ３９は、カム等を含む機械的な機構で開閉動作するものであってもよい。この場合、前述したようなガス供給バルブ３９の開閉動作のタイミングは、カムプロファイルを適切に設計することによって実現されてもよい。

また、図４に示されるように、吸気バルブ１７及び排気バルブ２１は、前述のとおりカムシャフト等を含む機構によって機械的に開閉動作が制御されるものであってもよいが、吸気バルブ１７及び排気バルブ２１は、電気信号で開閉動作が制御されるようなバルブ（例えば電磁バルブ）であってもよい。この場合、図４に示されるように、吸気バルブ１７、排気バルブ２１、及びガス供給バルブ３９の開閉動作を統括的に制御するバルブ制御部４２が設けられてもよい。このバルブ制御部４２は、予め定められたプログラムに従って動作することで、クランクシャフトの回転位相を検知して適切なタイミングで吸気バルブ１７、排気バルブ２１、及びガス供給バルブ３９に電気信号を送信するようにしてもよい。

１エンジン（内燃機関）
１１主燃焼室
１３吸気口
１７吸気バルブ
１９吸気バルブ駆動機構
２５副燃焼室
３５ガス供給部
３７ガス供給路（供給路）
３９ガス供給バルブ
４１バルブ制御部（ガス供給バルブ制御部）

Claims

主燃焼室と当該主燃焼室に連通された副燃焼室とを備え、前記副燃焼室内の点火用燃料に点火して発生させた火炎により前記主燃焼室内の混合気に着火させる内燃機関であって、
前記主燃焼室に空気を供給する吸気口を開閉する吸気バルブと、
前記副燃焼室に前記点火用燃料として水素含有ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部から前記副燃焼室への前記水素含有ガスの供給路を開閉するガス供給バルブと、を備え、
１サイクル内において、前記ガス供給バルブの開度が最大になるタイミングが前記吸気バルブの開度が最大になるタイミングよりも早く、且つ前記ガス供給バルブの開度が前記吸気バルブの開度よりも大きい期間が存在し、
前記ガス供給部からの前記水素含有ガスの供給圧力は、前記吸気口への前記空気の供給圧力よりも低い、内燃機関。
前記１サイクル内においては、
前記ガス供給バルブの開き始めのタイミングが前記吸気バルブの開き始めのタイミングよりも早い、請求項１に記載の内燃機関。
前記吸気バルブの開閉を機械的に制御する吸気バルブ駆動機構と、前記ガス供給バルブの開閉を電気的に制御するガス供給バルブ制御部と、を備える、請求項１又は２に記載の内燃機関。