JPH10306750A

JPH10306750A - ガソリン機関の燃焼方法

Info

Publication number: JPH10306750A
Application number: JP9119577A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sugimori; 宏一杉森; Sotarou Ishida; ▲塑▼太郎石田; Yasushi Hattori; 靖服部; Yukihisa Iguchi; 幸久井口; Keiji Sato; 恵二佐藤; Mitsuhiro Tsuri; 光廣釣
Original assignee: NICHIJIYUU NEW MATERIAL KK; Japan Metals and Chemical Co Ltd; Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Current assignee: NICHIJIYUU NEW MATERIAL KK; Japan Metals and Chemical Co Ltd; Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 1998-11-17

Abstract

(57)【要約】【課題】ガソリン機関における排出ガスをより一層浄
化させるべく燃焼効率を向上させる。【解決手段】スロットルバルブ１７上流の吸気管３
に、水素吸蔵合金１１に吸蔵されている水素を、体積比
で吸入空気量の１％〜４％の割合で供給し、かつ吸入空
気と燃料との重量比である空燃比を２２〜３２、好まし
くは２５〜３２として機関本体１内における燃焼室にて
燃焼させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料であるガソ
リンと空気との混合気を燃焼室内で燃焼させるガソリン
機関の燃焼方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリン機関においては、燃料と空気と
が燃焼することにより、エネルギとＣＯ₂とＨ₂Ｏになる
が、燃料の一部が不完全燃焼することによってＣＯ及び
ＨＣが発生するほか、空気中のＮ₂が酸化されてＮＯ
_X（窒素酸化物）が発生し、これらの成分が大気中に放
出されることになる。このような排出ガスを浄化する方
法として、従来では、機関の運転条件を、空燃比（空気
と燃料との重量比：Ａ／Ｆ）が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１
４．７）となるよう燃料供給を制御するとともに、三元
触媒を用いてＣＯ及びＨＣの酸化とＮＯ_Xの還元とを同
時に行う方法が採用されている。

【０００３】一方、地球温暖化の原因としてＣＯ₂が挙
げられており、ＣＯ₂を含めた排出ガス中の成分量の低
減及び燃料消費率の向上を目的としてリーンバーンエン
ジンシステムが開発されている。リーンバーンエンジン
は、燃料を希薄にして空燃比の大きい領域（Ａ／Ｆ＝２
２〜２３）にて運転を行うもので、リーン領域でトルク
変動を抑制するように燃焼室の形状などを改善し、ＮＯ
_Xの排出量が規制値以下になる空燃比で運転するもので
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年で
は、自動車に対する排出ガス規制が益々高まっており、
これに対応して排出ガスの発生しない電気自動車が開発
されているが、現状では電気自動車は製造コストや一充
電走行距離などの点で、ガソリン機関を搭載した自動車
に比べて大きく劣り、実用性が低いものとなっている。
このため、ガソリン機関における排出ガス中の前記成分
量のさらなる低減が要求されており、そのためには燃焼
効率のより一層の向上が必要となる。

【０００５】そこで、この発明は、ガソリン機関におけ
る排出ガスをより一層浄化させるべく燃焼効率を向上さ
せることを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明は、吸入空気量の１％〜４％の量の水素を
燃焼室に供給し、かつ前記吸入空気とガソリン燃料との
重量比である空燃比を２２〜３２、好ましくは２５〜３
２として燃焼させる燃焼方法としてある。

【０００７】ガソリン機関における吸入空気中に水素を
添加すると、燃焼室内の混合気中には水素が燃料として
含まれることになるので、燃焼しやすい状態となり、燃
焼効率が向上して燃料消費率が向上する。また、水素を
空燃比の高いリーン領域で添加することで、排出ガス成
分中のＨＣが効率よく燃焼してその排出量が低減する。
さらに、従来の希薄燃焼システムよりも高い空燃比で運
転しているので、ＣＯ及びＮＯxの排出量も少ないもの
となる。

【０００８】ここで、水素添加量が１％を下回ると、吸
入空気に対して水素の量が少なすぎて燃焼効率向上効果
が薄れ、逆に４％を越えると、必要水素量が増大して搭
載量に制限のある自動車の場合には、走行距離が充分得
られず、実用性が低下する。また、空燃比が２５、特に
２２を下回ると、ＮＯ_X排出量が増大し、３２を越える
と燃焼が不安定となる。したがって、吸入空気量に対す
る水素量の割合を１〜４％とした上で、空燃比を２２〜
３２、好ましくは２５〜３２とすることで、燃焼効率が
向上して燃料消費率が向上し、排出ガスの浄化作用がよ
り一層向上する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づき説明する。

【００１０】図１は、この発明の実施の一形態を示すガ
ソリン機関の燃焼方法を適用した機関本体１を中心とし
たガソリン機関の概略的な全体構成図で、機関本体１の
燃焼室に、吸入空気を供給する吸気管３と、燃焼ガスを
排出する排気管５とがそれぞれ接続されている。吸気管
３の燃焼室近傍には、燃料であるガソリンを燃料噴射ノ
ズル７を介して供給する燃料管９が接続されている。

【００１１】上記燃料噴射ノズル７より上流の吸気管３
には、水素吸蔵合金１１が収納されるタンク１３の一端
が接続された水素供給管１５の他端が接続されている。
この水素供給管１５の吸気管３への接続部は、吸気管３
に設けられたスロットルバルブ１７より上流側に位置し
ている。タンク１３内の水素吸蔵合金は、各種あるが、
例えばＦ_eＴ_i系またはＬ_aＮ_i5系であり、寸法が１１０m
m×１２２mm×８００mm、重さ約２２kgの角型形状とし
て水素を約３０００リットル吸蔵できるものとする。

【００１２】水素供給管１５には、例えばマスフローコ
ントローラなどの流量制御部１９が設けられ、この流量
制御部１９は、水素量が吸入空気量に対し体積比で１％
〜４％となるよう、図示しないコントローラによって調
整される。このコントローラは、スロットルバルブ１７
の開度に対応した吸入空気量に対し、水素量が上記した
割合となるようあらかじめ設定されたプログラムを格納
している。

【００１３】また、吸気管３を流れる吸入空気量と、燃
料噴射ノズル７から噴射される燃料（ガソリン）との重
量比、すなわち空燃比（Ａ／Ｆ）は、２２〜３２、好ま
しくは２５〜３２としてある。この空燃比は、燃料噴射
時期と噴射量とを自由に設定可能な燃料噴射制御装置を
用い、例えば吸気管３の上流に設けた図示しないエアフ
ローメータによって計量された吸入吸気量に応じたもの
として設定される。

【００１４】図２〜図８は、図１のガソリン機関におい
て、機関回転数が２４００rpm、スロットル開度が２０
％の定常運転で、空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比付近か
らリーン側へ変化させた場合の燃焼消費率、排出ガス中
の各種成分量、トルク及び燃料流量のそれぞれの変化を
示している。これら各図において、吸入空気量に対する
水素添加量の割合は、０％（□）、１％（×）、２％
（△）及び３％（○）としてある。なお、機関本体１の
諸元は次の通りである。

【００１５】総排気量（cc）：１４６８シリンダ数：４シリンダの内径×工程（mm）：７５．５×８２．０圧縮比：９．４最大出力（PS/rpm）：９４／６０００最大トルク（kgm/rpm）：１２．４／３０００

【００１６】図２に示す燃料消費率（g/PSh）は、水素
添加量に拘わらずＡ／Ｆが高くなるに従って高く（悪
く）なっているが、水素添加量が多いほど、Ａ／Ｆの増
大に伴って低いものとなっている。特に、Ａ／Ｆが２５
以上ではその差が顕著であり、３％添加ではＡ／Ｆが３
２まで運転可能である。

【００１７】図３に示すＣＯ濃度（％）は、Ａ／Ｆが１
８付近までの増加とともに急激に減少し、水素添加によ
って、ＣＯを０．２以下と低く維持した状態での運転
が、Ａ／Ｆ２２以上、特に２５以上で可能であり、特に
３％添加ではＡ／Ｆが３２まで運転可能となっている。

【００１８】図４に示すＣＯ₂濃度（％）は、水素添加
量が多いほど多くなっているが、いずれの水素添加量に
おいてもＡ／Ｆが高くなるほど減少しており、Ａ／Ｆが
２５以上の場合には１％の水素添加でかなり低い値とな
っている。３％添加ではＡ／Ｆを３２とすることで５％
程度まで減少している。

【００１９】図５に示すＴ（トータル）ＨＣ濃度（ppm
C）は、Ａ／Ｆが高くなると燃焼が不安定になるため増
加するが、Ａ／Ｆが１８以上では、水素添加量の増加に
よって減少している。

【００２０】図６に示すＮＯx（ppm）は、水素添加量の
増加に従って最大値が増加するとともに、ピーク位置が
リーン側にシフトしている。ここでは、Ａ／Ｆを２５以
上とすることで、ＮＯx排出量が大幅に減少しているこ
とがわかる。

【００２１】図７に示すトルク（kgfm）は、Ａ／Ｆが高
くなると低下する傾向にあるが、水素添加により増加し
希薄燃焼可能領域が広がり、特に水素添加を３％とした
場合には、Ａ／Ｆが３０以上であっても、１kgfm以上の
トルクを維持し、安定した燃焼が可能となっている。

【００２２】図８に示す燃料流量は、水素添加によって
大きな変化は見られず、Ａ／Ｆが高くなるほど減少す
る。

【００２３】上記した水素添加による排気特性の変化
は、水素の燃焼特性に起因している。水素は、Ｃ（炭
素）を含まないため、ＣＯ，ＣＯ₂などを排出しないク
リーンエネルギである。それにも拘わらず水素添加によ
ってＣＯ₂の排出濃度が増加するのは、ＨＣ（未燃炭化
水素）を効率よく燃焼させているからである。また、水
素添加によってＮＯ_Xが増加する原因は、水素によって
燃焼温度が増加するためである。

【００２４】ここで、上記した運転条件下で、添加した
水素エネルギがどの程度有効に利用されているかを調べ
るために、安定運転可能なトルクを１kgfmとして、その
ときのＡ／Ｆ及び燃料流量を各水素添加量毎に求め、水
素０％に対する燃料流量の減少量及び添加した水素エネ
ルギと減少した燃料エネルギを計算し、その結果を図９
に示す。

【００２５】水素添加量の増大とともに、Ａ／Ｆの上限
値が増大する一方、燃料流量が減少する。水素添加量が
０％、つまり水素を添加しない場合では、Ａ／Ｆ上限値
が２３．９であるが、１％添加によりＡ／Ｆ上限値が２
５．４となり、３％添加では３１．７となって従来のリ
ーンバーンエンジンよりさらに希薄領域での燃焼が可能
となる。添加した水素のエネルギと減少した燃料のエネ
ルギとの関係は、図９に示したように、「添加水素エネ
ルギ＜減少燃料エネルギ」であり、水素エネルギの約
１．３倍から２倍の燃料エネルギが節約されることにな
る。このエネルギの差は、主に未燃炭化水素として排出
されていたＨＣが効率よく燃焼した結果生ずる。このよ
うに水素は、燃焼効率を改善するとともに、水素と空気
とが燃焼前に予混合されているため、主にリーン領域の
燃焼を安定化し、Ａ／Ｆの上限を高くすることができ
る。

【００２６】図１０〜図１６は、機関回転数を２４００
rpm、スロットル開度を６０％とした場合の前記図２〜
図８と同様の各データの結果を示している。ここで、図
１５におけるトルクについては、５kgfmを発揮するのに
Ａ／Ｆが３０以上の希薄燃焼領域でも可能となってい
る。図１７は、上記図１０〜図１６の運転条件下にて安
定運転可能なトルクを５kgfmとした場合の前記図９に相
当する図である。この例においても、水素添加量の増大
とともにＡ／Ｆの上限値が増大し、燃料流量が減少して
おり、また「添加水素エネルギ＜減少燃料エネルギ」で
あって、多量のガソリンエネルギが節約されてることに
なる。

【００２７】なお、本発明の燃焼方法は、登坂時などの
高トルク運転時には、水素添加の効果がないことから、
エンジン燃焼がリーン領域から通常の領域（理論空燃
比）に切り替わった際には、水素添加を中断することが
好ましい。

【００２８】また、本発明の燃焼方法に、リーンバーン
エンジンシステムで使用されているＥＧＲシステム（排
気の一部を吸気に還流させるシステム）を採用すること
により、図１８に示すように、比較例（リーンバーンエ
ンジンをリーン領域で水素添加なしで燃焼させた場合）
の排出ガス濃度に対し、ＮＯ_X濃度などをさらに低減す
ることもできる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
れば、吸入空気量の１％〜４％の水素を燃焼室に供給
し、かつ前記吸入空気と燃料との重量比である空燃比を
２２〜３２、好ましくは２５〜３２として燃焼させるよ
うにしたので、燃焼効率が向上して燃料消費率が向上す
るとともに、ＨＣが効率よく燃焼してその排出量が低減
する。また、従来の希薄燃焼システムよりも高い空燃比
で運転しているので、ＣＯ及びＮＯxの排出量も少ない
ものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の一形態を示すガソリン機関の
燃焼方法を適用した機関本体を中心としたガソリン機関
の概略的な全体構成図である。

【図２】機関回転数が２４００rpm、スロットル開度が
２０％の定常運転で、空燃比を理論空燃比付近からリー
ン側へ変化させた場合の燃料消費率の変化特性図であ
る。

【図３】図２の条件下でのＣＯ濃度変化特性図である。

【図４】図２の条件下でのＣＯ₂濃度変化特性図であ
る。

【図５】図２の条件下でのＨＣ濃度変化特性図である。

【図６】図２の条件下でのＮＯ_X濃度変化特性図であ
る。

【図７】図２の条件下でのトルク変化特性図である。

【図８】図２の条件下での燃料流量変化特性図である。

【図９】図２の条件下で、安定運転可能なトルクを１kg
fmとしてＡ／Ｆ上限値、燃料流量、添加水素エネルギ及
び減少燃料エネルギをそれぞれ示す説明図である。

【図１０】機関回転数が２４００rpm、スロットル開度
が６０％の定常運転で、空燃比を理論空燃比付近からリ
ーン側へ変化させた場合の燃料消費率の変化特性図であ
る。

【図１１】図１０の条件下でのＣＯ濃度変化特性図であ
る。

【図１２】図１０の条件下でのＣＯ₂濃度変化特性図で
ある。

【図１３】図１０の条件下でのＨＣ濃度変化特性図であ
る。

【図１４】図１０の条件下でのＮＯ_X濃度変化特性図で
ある。

【図１５】図１０の条件下でのトルク変化特性図であ
る。

【図１６】図１０の条件下での燃料流量変化特性図であ
る。

【図１７】図１０の条件下で、安定運転可能なトルクを
５kgfmとしてＡ／Ｆ上限値、燃料流量、添加水素エネル
ギ及び減少燃料エネルギをそれぞれ示す説明図である。

【図１８】リーンバーンエンジンをリーン領域で水素添
加なしで燃焼させた際の排出ガス濃度と、本発明の燃焼
方法に加えてＥＧＲシステムを採用した場合の排出ガス
濃度とを比較した説明図である。

【符号の説明】

１機関本体３吸気管５排気管７燃料噴射ノズル１１水素吸蔵合金１７スロットルバルブ１９流量制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉森宏一東京都中央区日本橋小網町８番４号日重ニューマテリアル株式会社内 (72)発明者石田 ▲塑▼太郎東京都中央区日本橋小網町８番４号日重ニューマテリアル株式会社内 (72)発明者服部靖東京都中央区日本橋小網町８番４号日本重化学工業株式会社内 (72)発明者井口幸久東京都中央区日本橋小網町８番４号日本重化学工業株式会社内 (72)発明者佐藤恵二東京都中央区日本橋小網町８番４号日本重化学工業株式会社内 (72)発明者釣光廣東京都中央区日本橋小網町８番４号日本重化学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸入空気量の１％〜４％の量の水素を燃
焼室に供給し、かつ前記吸入空気とガソリン燃料との重
量比である空燃比を２２〜３２として燃焼させることを
特徴とするガソリン機関の燃焼方法。
【請求項２】空燃比が２５〜３２であることを特徴と
する請求項１記載のガソリン機関の燃焼方法。