JP2004076679A - Gas fuel addition method and gas fuel addition device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の筒内に形成される燃料混合気に水素等の気体燃料を添加する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガソリン燃料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(希薄限界)の向上とNOx(窒素酸化物)の排出量の低減とを図る技術が知られている。例えば特開平7−63128号公報に記載された内燃機関では、点火プラグの周辺に水素を集中的に添加して着火性を向上させるとともに、ガソリンと空気との混合気については点火プラグから離れるほどリッチとなるように分布させて筒内の周辺部への火炎伝播の向上を図っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報の内燃機関では水素を着火性の改善に利用しているだけであり、着火後の火炎伝播はガソリン燃料に依存している。従って、火炎の伝播には水素が殆ど関与せず、火炎伝播特性からみたリーンリミットはガソリン燃料のみを利用する場合と比較して殆ど変わらない。従って、リーンリミットを無理に拡大すれば火炎伝播不良による失火や運転状態の不安定化を招く。
【0004】
一方、筒内に満遍なく水素を分散させた場合には火炎伝播特性が改善される。この改善度は水素の量が増加するほど向上し、水素の量が増加するに従いリーンリミットが拡大し、それに伴って熱効率が向上してNOxの低減量は増加する。しかし、水素の供給に関する社会資本の整備等を考慮すると、NOxが完全に削減できるような大量の水素の添加は不可能である。従って、現実には、添加できる水素の量をできる限り少量に抑える必要がある。
【0005】
しかし、少量の水素の添加では、燃料混合気の着火性に関してガソリンの影響が大きく、水素による着火性の向上は大きくない。従って、リーンリミットに関しては、ガソリン燃料のみを使用した場合と比較して全く拡大しないわけではないが、この程度のリーン域ではNOxの生成を完全には排除できず触媒を利用せざるを得ないが、リーン領域であるためにNOx吸蔵触媒を利用してNOxを処理することが必要不可欠である。このような触媒を使用した場合には性能の維持や保守点検に関して相当の配慮が必要となり、手間がかかる。
【0006】
そこで、本発明は、水素等の気体燃料を有効に利用して燃料混合気のリーンリミットを拡大し、熱効率の向上と排気の改善とを実現可能であり、望ましくはNOx吸蔵触媒を不要とする程度まで排気を改善できる内燃機関の気体燃料添加方法及び装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の気体燃料添加方法は、燃料混合気を形成するための主燃料とは別の気体燃料を筒内に添加する内燃機関の気体燃料添加方法であって、前記気体燃料を吸気行程中に添加する第1の添加工程と、前記気体燃料を圧縮行程中に添加する第2の添加工程とを備えることにより、上述した課題を解決する(請求項1)。
【0008】
本発明の気体燃料添加方法において、第1の添加工程で添加された気体燃料は吸気行程中における燃焼室の膨張に伴って主燃料や空気と十分に混合されて筒内に満遍なく分散される。一方、第2の添加工程で添加される気体燃料は点火の直前であり、筒内に拡散せず、部分的に気体燃料の濃度が高い領域を形成する。この気体燃料の濃度が高い領域を点火に利用することにより燃料混合気の着火性を向上させることができる。そして、着火後の火炎伝播に関しては、筒内に満遍なく気体燃料が分散されているので、主燃料のみを利用した場合よりも火炎伝播特性が向上する。
【0009】
このように、本発明によれば、着火を含む初期燃焼と、火炎伝播を主体とする後期燃焼とのいずれに対しても気体燃料が有効に作用するので、主燃料に対する空気量を増加させてリーンリミットを拡大し、それにより熱効率の向上と排気の改善、特にNOxの生成量の削減とを図ることができる。リーンリミットの拡大により燃焼時の筒内温度を十分に低下させてNOx生成量をほぼ0まで低下させることも不可能ではなく、その場合にはNOx吸蔵触媒をも不要とすることができる。
【0010】
本発明の気体燃料添加方法において、前記第2の添加工程では、前記気体燃料が点火プラグの周りに集まるように添加することが望ましい(請求項2)。このような気体燃料の添加は、点火プラグに向かって前記気体燃料を噴射すること(請求項3)、あるいは、ピストンの頂面に前記気体燃料を前記点火プラグに向かって案内する案内部を形成し、その案内部に向かって気体燃料を噴射すること(請求項4)、によって実現することができる。このように圧縮行程で添加される気体燃料を点火プラグの周りに集めたならば、着火性を確実に向上させることができる。
【0011】
本発明の気体燃料添加方法においては、第2の添加工程で添加される気体燃料は着火性を確保できれば十分であり、ごく僅かな量で足りるのに対して、第1の添加工程で添加される気体燃料は筒内に満遍なく分散される必要がある。従って、前記第1の添加工程における前記気体燃料の添加量よりも前記第2の添加工程における前記気体燃料の添加量を少なくすることが望ましい(請求項5)。より好ましくは、前記第2の添加工程における前記気体燃料の添加量を、前記点火プラグの付近に火炎核が形成されるために必要な最小限度に設定する(請求項6)。着火時に気体燃料の効果を利用して火炎核が形成できれば、それ以降は第1の添加工程で添加された気体燃料の助けを得て火炎がほぼ確実に伝播する。火炎核の形成に必要最小限度まで気体燃料の添加量を制限することにより、火炎核形成時のNOx生成量も減らすことができ、排気がさらに改善される。
【0012】
また、本発明の気体燃料添加方法においては、一回の燃焼に備えて供給される前記主燃料の量を、実質的な燃焼が可能な最小限度に設定するとよい(請求項7)。このように主燃料の供給量を制限すれば主燃料のみでは実現し得ない希薄域で内燃機関を運転することができ、NOx生成量を大幅に低減することができる。なお、実質的な燃焼とは、内燃機関を実用に供し得る程度に燃焼が成立すること意味し、燃焼の安定性に相関する物理量を指標としてこれを評価することができる。例えば、燃焼の不安定化に伴って内燃機関の出力トルクの変動量が拡大するため、トルク変動量に対して実用上の限界値を設定し、その限界値を超えるときに実質的な燃焼が成立していないと評価することができる。
【0013】
さらに、本発明の気体燃料添加方法においては、吸気行程において筒内に吸気流動を形成してもよい(請求項8)。吸気流動を形成した場合には第1の添加工程で添加された気体燃料を主燃料や空気と効率よく混合させて筒内に均質に分散させることができる。吸気流動は、気筒の中心線の回りに旋回するスワール流でもよいし、気筒の中心線の方向に沿って旋回するタンブル流であってもよい。
【0014】
次に、本発明の内燃機関の気体燃料添加装置は、燃料混合気を形成するための主燃料とは別の気体燃料を筒内に添加する気体燃料添加手段と、前記気体燃料が吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ添加されるように前記気体燃料添加手段を制御する添加制御手段とを備えることにより、上述した課題を解決する(請求項10)。
【0015】
この気体燃料添加装置によれば、吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ気体燃料を添加することにより、本発明の気体燃料添加方法の第1及び第2の添加工程を実現して上記の通りの作用効果を得ることができる。
【0016】
上述した本発明の気体燃料添加方法の好ましい態様を実現するため、本発明の内燃機関の気体燃料添加装置も次のような態様を含むことができる。
【0017】
前記気体燃料添加手段は、点火プラグに向かって前記気体燃料を噴射可能であってもよい(請求項11)。ピストンには前記気体を前記点火プラグに向かって案内する案内部が形成され、前記気体燃料添加手段は前記案内部に向かって前記気体燃料を噴射可能であってもよい(請求項12)。
【0018】
前記添加制御手段は、吸気行程中における前記気体燃料の添加量よりも圧縮行程中における前記気体燃料の添加量が少なくなるように前記気体燃料添加手段を制御してもよい(請求項13)。前記添加制御手段は、圧縮行程中の前記気体燃料の添加量が、前記点火プラグの付近に火炎核が形成されるために必要な最小限度となるように前記気体燃料添加手段を制御してもよい(請求項14)。一回の燃焼に備えて供給される前記主燃料の量が、実質的な燃焼が可能な最小限度となるように前記主燃料の供給量を制御する燃料供給量制御手段を備えてもよい(請求項15)。筒内に吸気流動を形成する吸気流動形成手段を備えてもよい(請求項16)。吸気流動形成手段はスワール流又はタンブル流を形成するものでよく、これらの吸気流動は例えば吸気ポートの一部に配置されたスワールコントロールバルブやタンブルコントロールバルブ等の弁手段やヘリカルポート等により実現できる。
【0019】
さらに、本発明の気体燃料添加装置においては、気筒の中心線の回りを旋回するスワール流を筒内に形成する吸気流動形成手段を備え、前記案内部は前記気体燃料を前記スワール流の方向に沿って湾曲させるように形成されてもよい(請求項17)。この場合には、スワール流に沿って気体燃料が点火プラグ側に向かうので圧縮行程中の筒内に対してより少ない圧力で気体燃料を添加することができる利点がある。
【0020】
本発明において、前記主燃料は例えばガソリンであり、その場合に前記気体燃料として水素を好適に使用することができる(請求項9,18)。
【0021】
本発明において、「添加」の語は、燃料混合気を形成するために内燃機関に加えられる主燃料に対して気体燃料が追加されることを意味し、気体燃料を加える量、速度、圧力等の態様により、添加の範囲が限定されるものではない。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施形態の気体燃料添加装置が組み込まれた内燃機関の要部を示している。内燃機関1は4サイクル式のガソリンエンジンとして構成されており、燃焼室2を形成するシリンダ(気筒)3、ピストン4及びシリンダヘッド5と、吸気ポート8及び排気ポート9をそれぞれ開閉する吸気バルブ6及び排気バルブ7と、吸気ポート8に主燃料としてのガソリンを噴射する燃料噴射弁10と、その燃料噴射弁10に所定圧の燃料を供給する燃料デリバリチューブ11と、混合気点火用の火花を形成する点火プラグ12とを備えている。さらに、シリンダヘッド5には気体燃料添加手段としての水素噴射弁13が設けられている。水素噴射弁13は水素供給装置14から水素デリバリチューブ15を介して供給される気体燃料としての水素をそのノズル13aからシリンダ3内に噴射する。水素の噴射方向は、シリンダ3の中心線CL1と直交する方向(以下、シリンダ横断方向と呼ぶ。)に対してピストン4側に幾らか傾けられている。水素供給装置14は、水素タンクに蓄えられた高圧水素を所定圧力に調圧して供給するものでもよいし、ガソリン燃料を改質して水素を取り出すものでもよい。
【0023】
ピストン4の頂面4aにはその水素噴射弁13から噴射された水素を点火プラグ12の付近に案内するための案内部としてのキャビティ4bが形成されている。そのキャビティ4bの詳細を図2に示す。キャビティ4bは、直線状の第1の壁面4cと、湾曲した第2の壁面4dとを有している。第1の壁面4cはピストン頂面4aとの交差部P1からシリンダ横断方向に対して一定の傾斜角βで下り勾配を描いて延びている。水素噴射弁13から噴射される水素流20の中心線CL2のシリンダ横断方向に対する傾斜角をα、シリンダ3の中心線CL1の方向に関する水素流20の広がり角をθvとしたとき、傾斜角βは次式を満たすように設定される。
【0024】
【数1】
β>α+θv/2
このように傾斜角βを設定すれば、水素流20が第1の壁面4cに接触せず、第1の壁面4cと水素流20との衝突による水素の拡散を防止することができる。なお、ピストン頂面4aと第1の壁面4cとの交差部P1の位置は、後述する圧縮行程中の水素の噴射時期において、水素流20がピストン頂面4aと衝突しないように定められる。
【0025】
一方、第2の壁面4dは第1の壁面4cとの交差部P2から凹曲面を描きつつ点火プラグ12側に向かって立ち上がる湾曲面に形成される。第1の壁面4dの湾曲は、圧縮行程中における水素の噴射時期において、水素流20を点火プラグ12の付近に集中させることができるように定められる。第2の壁面4dとピストン頂面4aとの交差部P3は圧縮行程中に噴射される水素流20の上端の延長線Aよりも点火プラグ12側に位置するように定められる。これにより、水素流20を第2の壁面4dで漏れなく捉えて点火プラグ12の周りに効率よく集中させることができる。
【0026】
図1に戻って、内燃機関1の動作はエンジンコントロールユニット(ECU16)により制御される。ECU16はマイクロプロセッサ及びその動作に必要な主記憶装置としてのRAM、ROM等の周辺装置を備えたコンピュータとして構成される周知の制御装置である。ECU16は、各種のセンサの出力信号に基づいて特定した内燃機関1の運転状態に応じて燃料噴射弁10の燃料噴射時期、及び燃料噴射量を制御することにより、本発明の燃料供給制御手段として機能する。また、ECU16は、クランク角センサ17から出力されるクランク角信号に基づいて水素噴射弁13からの水素の噴射時期及び噴射量を制御することにより、本発明の添加制御手段として機能する。
【0027】
図3はECU16によって制御される燃料噴射弁10からの燃料噴射時期、水素噴射弁13からの水素噴射時期及び点火プラグ12による点火時期と、吸排気バルブ6,7の開弁時期と、筒内圧(シリンダ3の内部圧力)とをクランク角と対応付けて示したタイミングチャートである。なお、クランク角は圧縮TDC(圧縮行程においてピストン4が上死点(TDC)に達したとき)を0°とし、その圧縮TDCまでにクランク軸が回転すべき角度として示されている。
【0028】
図3から明らかなように、燃料噴射弁10による燃料噴射時期は吸気バルブ6が閉じている圧縮TDCから吸気TDC(ピストン4が上死点に位置する吸気行程の始期)の直前迄の間に設定される。排気バルブ7は膨張行程の終期(ピストン4が下死点(BTDC)に位置する時期)付近から吸気TDC付近まで開弁され、吸気バルブ6は吸気TDC付近から吸気行程の終期付近まで開弁される。筒内圧は吸気バルブ6又は排気バルブ7のいずれかが開弁している期間において低下し、バルブ6,7が閉じられると上昇する。そして、水素噴射弁13からの水素の噴射時期は吸気行程中の第1回目噴射期間(第1の添加工程)と、圧縮行程中の第2回目噴射期間(第2の添加工程)とに分けて設定されている。第2回目噴射期間は特に圧縮行程の後半、すなわち圧縮TDCまでのクランク角が90°以下になった時期に設定される。そして、第2回目噴射期間は第1回目噴射期間よりも十分に短く設定される。
【0029】
ECU16はクランク角センサ17の出力信号に基づいてクランク角を常時監視し、図3のタイミングチャートに従って燃料噴射弁10からの燃料噴射、水素噴射弁13からの水素噴射、及び点火プラグ12による点火時期を制御する。
【0030】
図3に従って水素が噴射される様子を図4に示す。図4(a)は第1回目噴射期間の様子を示している。第1回目噴射期間においては吸気バルブ6が開弁しかつピストン4が下降することにより、吸気ポート8からガソリン燃料と空気とが燃料混合気を形成しつつシリンダ3内に吸入される。これらの吸入と並行して水素噴射弁13から水素流20が噴射され、その水素はピストン4の下降による燃焼室2の膨張に伴って拡散して燃料混合気と混ざり合う。
【0031】
続く圧縮行程中の第2回目噴射期間においては、図4(b)に示すように水素噴射弁13から上昇過程のピストン4に向かって水素が噴射される。噴射された水素流20は図2に示したようにキャビティ4bに沿って方向転換されて点火プラグ12の付近に導かれる。従って、圧縮行程の後半には、図4(c)に示すように、第1回目噴射期間に噴射された水素が想像線L1で示すようにシリンダ3内の広い範囲に亘ってほぼ均等に分散される一方、第2回目噴射期間に噴射された水素により、点火プラグ12の付近には他の部分よりも水素濃度の高い領域L2が形成される。
【0032】
これにより、点火プラグ12による着火時には、水素の着火改善効果が十分に発揮され、ガソリン燃料のみを使用する場合や混合気に対して均質に水素を分散させるだけの場合と比較して着火性が改善されて良好な初期燃焼が実現される。そして、着火した火炎が伝播する後期燃焼においては、第1回目噴射期間に噴射された水素が燃焼室2内に十分に分散しているので火炎伝播特性が向上し、ガソリン成分が少なくても良好な燃焼状態が確保される。このように初期燃焼及び後期燃焼のいずれにおいても水素の燃焼改善効果を十分に発揮させることができるので、従来と比べてシリンダ3内に導入される空気量を増大させてリーンリミットを拡大することができる。例えば、水素をその熱量にしてガソリンの20%添加するとした場合(但し、第1回目と第2回目の合計値)、従来であれば空気過剰率が2倍程度が限界であるが、本実施形態であれば空気過剰率を2.5〜3倍程度まで拡大しても燃焼状態を安定させることができる。この程度まで空気を増やすことができれば筒内の温度が大幅に低下してNOx生成量がほぼ0まで減少し、NOx吸蔵触媒を使用する必要がなくなる。
【0033】
以上の実施形態において、第2回目噴射期間に噴射されるべき水素の量は着火に必要な最小限度でよい。具体的には点火プラグ12の近傍に、火炎伝播の起点となる火炎核が形成されるために必要な最小限度でよい。例えば第1回目の噴射量と第2回目の噴射量の合計を熱量にしてガソリンの20%に設定する場合、第2回目の噴射量はガソリンの熱量の3%程度に相当する量で足りる。残りの17%に相当する量は第1回目に噴射すればよい。火炎核の形成に必要な水素量を絞り込むことにより、火炎核の形成時におけるNOxの生成量を最小限に抑えることができる。いずれにせよ、第2回目噴射期間における水素の噴射量は第1回目噴射期間における噴射量と比較して遙かに少ない値でよい。
【0034】
また、一回の燃焼に備えて噴射されるガソリンの量は実質的な燃焼が可能な最小限度でよい。実質的な燃焼が可能か否かは例えばトルク変動によって評価することができる。すなわち、ガソリンの噴射量を減らして空燃比をリーン側に変化させると、リーンリミット近傍において空気の比率が増加するほど燃焼が徐々に不安定となり、その影響がトルク変動として出現する。従って、吸気、圧縮、膨張及び排気の4行程を一つの単位としたとき、一単位内におけるトルク変動量の限界値を0.4〜0.5Nmに設定し、この限界値に達したときの空燃比をリーンリミットとして実質的な燃焼が可能な範囲を特定し、そのリーンリミット内で燃焼が行われるようにガソリン噴射量を設定すればよい。
【0035】
なお、各噴射期間においては、水素を連続的に噴射してもよいし、複数回に分けて噴射してもよい。第1回目噴射期間及び第2回目噴射期間における水素の噴射量は、それぞれの噴射期間に対して予め定められた一定値に制御してもよいが、内燃機関1の運転状態に応じて第1回目噴射期間及び第2回目噴射期間の水素の噴射量をそれぞれ変化させてもよい。例えば、噴射されるガソリンの熱量に対して一定の比率で水素を噴射させる場合にはECU16が算出する燃料噴射量に基づいて第1回目及び第2回目のそれぞれ水素噴射量を演算し、その演算結果に従って水素噴射弁13の開弁時期(デューティー比)を制御すればよい。第1回目噴射期間及び第2回目噴射期間の長さも必要に応じて適宜に調整してよい。
【0036】
次に、図5〜図8を参照して上記の実施形態の幾つかの好ましい変形例を説明する。なお、各図において図1〜図4と共通する部分には同一符号を付してある。
【0037】
まず、圧縮行程における水素噴射弁13からの水素流20の噴射方向については、図5に示すように水素噴射弁13から点火プラグ12の付近に向かって水素流20を噴射してもよい。なお、圧縮行程に限らず、吸気行程及び圧縮行程の両者で点火プラグ12に向かって水素を噴射してもよい。ピストン4のキャビティ4bは省略してもよい。吸気行程と圧縮行程とで異なる方向に水素を噴射させる場合には、水素噴射弁13に噴射方向が異なる複数の噴孔を形成するとともに、実際に使用する噴孔を選択的に切り替える切替機構を水素噴射弁13に内蔵させる。切替機構は、例えば各噴孔に通じる流路をスプール等の流路選択手段にて切り替えるように構成すればよい。
【0038】
吸気ポート8については、図6に示すように2本の吸気バルブ6,6に1:1に対応させて分岐路8a,8bを形成し、一方の分岐路8aにスワールコントロールバルブ30を設けて分岐路8aの開口面積を分岐路8bよりも減少させる(完全に閉じる場合も含む。)ことにより、シリンダ3内にスワール流31が形成されるようにしてもよい。スワールコントロールバルブ30に代え、図7に示すように他方の分岐路8bをヘリカルポート状に形成してスワール流31を形成してもよい。以上のようにしてスワール流31を形成した場合には、吸気行程で噴射される水素と、ガソリン及び空気とが効率よく混合されて水素の分布がより均質化される。
【0039】
スワール流31を形成する場合においては、図8に示すようにピストン4のキャビティ4bをスワール流31の方向に沿って湾曲させてもよい。この場合にはキャビティ4bに沿って点火プラグ12の付近に案内される水素流20がスワール流31に沿って流れるので、シリンダ3内の気流に逆らって水素を噴射する必要がない。従って、水素の噴射圧を低下させることができる。圧縮行程では筒内圧が上昇しているので、水素の圧力もそれに応じて高める必要があり、例えば第2回目噴射期間の筒内圧が2〜3MPa程度であれば、少なくとも1MPa以上高い圧力で水素を噴射する必要があると考えられる。しかし、キャビティ4bを図8のように形成すれば、筒内圧に対して1MPaを超えない小さい範囲で水素の圧力を高めるだけでよいと考えられる。なお、スワール流に代え、又は追加してタンブル流を形成してガソリン、水素及び空気の混合を促進してもよい。
【0040】
本発明はシリンダ内に直接燃料を噴射する筒内噴射式の内燃機関に対しても適用可能である。特に均質燃焼時に本発明を利用すれば、均質燃焼時のリーンリミットを拡大することができる。なお、ガソリン燃料を筒内に噴射する内燃機関においては、吸気行程で燃料を噴射して燃料混合気を筒内に均質に拡散させる均質燃焼と、圧縮行程で燃料を噴射して点火プラグの付近に燃料混合気を集中させる成層燃焼とを使い分けており、それらの燃焼モードの境界付近では、両者間の移行を円滑化するために吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ燃料を噴射することもある。しかし、本発明はあくまで均質燃焼を実現するために気体燃料を吸気行程及び圧縮行程のそれぞれで噴射するものであり、ガソリン燃料の2回噴射とはその目的も作用も全く異なるものである。
【0041】
なお、本発明において、主燃料はガソリンに限らず、内燃機関において燃焼混合気を形成するために使用される各種の燃料を主燃料として使用できる。気体燃料はその主燃料の着火性や火炎伝播特性を改善できる作用を有していれば使用できる可能性があり、主燃料との混合によって不所望の反応を生じないものであれば水素に限らず各種の気体燃料を使用してよい。
【0042】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の気体燃料添加方法及び装置によれば、吸気行程と圧縮行程のそれぞれで気体燃料を添加するようにしたので、燃焼室の膨張に伴って主燃料や空気と気体燃料とを十分に混合して筒内に満遍なく気体燃料を分散させて火炎伝播特性を向上させるとともに、圧縮行程中の筒内に部分的に気体燃料の濃度が高い領域を形成して燃料混合気の着火性を向上させることができる。すなわち、本発明によれば、着火を含む初期燃焼と、火炎伝播を主体とする後期燃焼とのいずれに対しても気体燃料を有効に作用させることができる。従って、主燃料に対する空気量を増加させてリーンリミットを拡大し、それにより熱効率の向上と排気の改善、特にNOxの生成量の削減とを図ることができる。リーンリミットの拡大により燃焼時の筒内温度を十分に低下させてNOx生成量をほぼ0まで低下させることも不可能ではなく、その場合にはNOx吸蔵触媒をも不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の気体燃料添加装置が組み込まれた内燃機関の要部を示す図。
【図2】ピストンの頂面に形成されたキャビティを示す図。
【図3】燃料噴射時期、水素噴射時期及び点火時期と、吸排気バルブの開弁時期と、筒内圧とをクランク角と対応付けて示したタイミングチャート。
【図4】本発明に従って筒内に水素が噴射される様子を示す図。
【図5】水素の噴射方向を変更した例を示す図。
【図6】スワール流を形成する例を示す図。
【図7】スワール流を形成する他の例を示す図。
【図8】スワール流に合わせてピストンのキャビティを湾曲させた例を示す図。
【符号の説明】
1 内燃機関
2 燃焼室
3 シリンダ
4 ピストン
4a ピストンの頂面
4b ピストンのキャビティ(案内部)
5 シリンダヘッド
6 吸気バルブ
7 排気バルブ
8 吸気ポート
8b 分岐路(吸気流動形成手段)
9 排気ポート
10 燃料噴射弁
12 点火プラグ
13 水素噴射弁(気体燃料添加手段)
16 エンジンコントロールユニット(添加制御手段、燃料供給制御手段)
20 水素流
30 スワールコントロールバルブ(吸気流動形成手段)
31 スワール流(吸気流動)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for adding a gaseous fuel such as hydrogen to a fuel mixture formed in a cylinder of an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
By adding hydrogen to the fuel mixture formed by gasoline fuel and air, the ignitability is improved, the lean limit (lean limit) of the fuel mixture is improved, and the emission of NOx (nitrogen oxide) is reduced. There is known a technique for achieving the above. For example, in the internal combustion engine described in JP-A-7-63128, ignitability is improved by intensively adding hydrogen to the periphery of the spark plug, and the mixture of gasoline and air increases as the distance from the spark plug increases. The distribution is made rich so as to improve the flame propagation to the peripheral portion in the cylinder.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the internal combustion engine disclosed in the above publication, only hydrogen is used for improving the ignitability, and flame propagation after ignition depends on gasoline fuel. Therefore, hydrogen is hardly involved in the flame propagation, and the lean limit viewed from the flame propagation characteristics is almost the same as in the case of using only gasoline fuel. Therefore, if the lean limit is forcibly expanded, a misfire or an unstable operation state due to poor flame propagation is caused.
[0004]
On the other hand, when hydrogen is uniformly dispersed in the cylinder, the flame propagation characteristics are improved. The degree of improvement increases as the amount of hydrogen increases, and as the amount of hydrogen increases, the lean limit increases, with the result that thermal efficiency improves and the amount of NOx reduction increases. However, considering the development of public capital related to the supply of hydrogen, it is impossible to add a large amount of hydrogen so that NOx can be completely reduced. Therefore, in reality, it is necessary to keep the amount of hydrogen that can be added as small as possible.
[0005]
However, when a small amount of hydrogen is added, the ignitability of the fuel mixture is greatly affected by gasoline, and the ignitability is not significantly improved by hydrogen. Accordingly, the lean limit is not necessarily not expanded at all compared to the case of using only gasoline fuel, but in such a lean region, the generation of NOx cannot be completely eliminated and the catalyst must be used. However, it is indispensable to treat NOx using a NOx storage catalyst because of the lean region. When such a catalyst is used, considerable care is required for maintenance of performance and maintenance and inspection, which is troublesome.
[0006]
Therefore, the present invention can effectively utilize a gaseous fuel such as hydrogen to extend the lean limit of the fuel mixture, improve heat efficiency and improve exhaust, and desirably eliminate the need for a NOx storage catalyst. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for adding gaseous fuel to an internal combustion engine, which can improve exhaust gas to a certain extent.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The gaseous fuel addition method of the present invention is a gaseous fuel addition method for an internal combustion engine in which another gaseous fuel other than a main fuel for forming a fuel mixture is added into a cylinder, wherein the gaseous fuel is added during an intake stroke. The above-described problem is solved by providing a first addition step of adding and a second addition step of adding the gaseous fuel during a compression stroke (claim 1).
[0008]
In the gaseous fuel addition method of the present invention, the gaseous fuel added in the first addition step is sufficiently mixed with the main fuel and air with the expansion of the combustion chamber during the intake stroke, and is uniformly dispersed in the cylinder. On the other hand, the gaseous fuel added in the second addition step is immediately before ignition, does not diffuse into the cylinder, and partially forms a region where the concentration of the gaseous fuel is high. By utilizing the region where the concentration of the gaseous fuel is high for ignition, the ignitability of the fuel mixture can be improved. As for the flame propagation after ignition, the gaseous fuel is uniformly dispersed in the cylinder, so that the flame propagation characteristics are improved as compared with the case where only the main fuel is used.
[0009]
As described above, according to the present invention, the gaseous fuel effectively acts on both the initial combustion including the ignition and the late combustion mainly based on the flame propagation, so that the air amount with respect to the main fuel is increased. By increasing the lean limit, it is possible to improve the thermal efficiency and the exhaust gas, and in particular, to reduce the generation amount of NOx. It is not impossible to sufficiently reduce the in-cylinder temperature at the time of combustion to reduce the NOx generation amount to almost 0 by expanding the lean limit. In this case, the NOx storage catalyst can be dispensed with.
[0010]
In the gaseous fuel addition method of the present invention, it is preferable that in the second addition step, the gaseous fuel is added so as to gather around the spark plug (claim 2). In order to add such gaseous fuel, the gaseous fuel is injected toward the spark plug (Claim 3), or a guide portion for guiding the gaseous fuel toward the spark plug is formed on the top surface of the piston. Then, gas fuel can be injected toward the guide portion (claim 4). If the gaseous fuel added in the compression stroke is collected around the spark plug in this way, the ignitability can be reliably improved.
[0011]
In the gaseous fuel addition method of the present invention, the gaseous fuel added in the second addition step is sufficient as long as ignitability can be ensured, and a very small amount is sufficient, whereas the gaseous fuel added in the first addition step is sufficient. Gaseous fuel needs to be evenly dispersed in the cylinder. Therefore, it is desirable to make the amount of the gaseous fuel added in the second addition step smaller than the amount of the gaseous fuel added in the first addition step (claim 5). More preferably, the addition amount of the gaseous fuel in the second addition step is set to a minimum necessary for forming a flame kernel near the ignition plug (claim 6). If a flame nucleus can be formed using the effect of gaseous fuel at the time of ignition, thereafter, the flame will almost certainly propagate with the help of the gaseous fuel added in the first addition step. By limiting the amount of gaseous fuel added to the minimum required for flame kernel formation, the amount of NOx generated during flame kernel formation can also be reduced, further improving emissions.
[0012]
Further, in the gaseous fuel addition method of the present invention, the amount of the main fuel supplied in preparation for one combustion may be set to a minimum that allows substantial combustion (claim 7). If the supply amount of the main fuel is limited in this way, the internal combustion engine can be operated in a lean region that cannot be realized only with the main fuel, and the NOx generation amount can be greatly reduced. It should be noted that substantial combustion means that combustion is achieved to such an extent that the internal combustion engine can be put to practical use, and this can be evaluated using a physical quantity correlated with combustion stability as an index. For example, the fluctuation amount of the output torque of the internal combustion engine expands due to combustion instability, so a practical limit value is set for the torque fluctuation amount, and when the limit value is exceeded, substantial combustion occurs. It can be evaluated that it does not hold.
[0013]
Furthermore, in the gaseous fuel addition method of the present invention, an intake air flow may be formed in the cylinder during the intake stroke (claim 8). When the intake flow is formed, the gaseous fuel added in the first addition step can be efficiently mixed with the main fuel or air and uniformly dispersed in the cylinder. The intake flow may be a swirl flow turning around the center line of the cylinder or a tumble flow turning along the direction of the center line of the cylinder.
[0014]
Next, the gaseous fuel addition device for an internal combustion engine of the present invention is a gaseous fuel addition means for adding a gaseous fuel other than the main fuel for forming a fuel mixture into a cylinder, and the gaseous fuel is provided in an intake stroke and The above-mentioned problem is solved by providing an addition control means for controlling the gaseous fuel addition means so as to be added in each compression stroke (claim 10).
[0015]
According to this gaseous fuel addition device, the first and second addition steps of the gaseous fuel addition method of the present invention are realized by adding the gaseous fuel in the intake stroke and the compression stroke, respectively, to achieve the above-described effects. Can be obtained.
[0016]
In order to realize the above-described preferred embodiment of the gaseous fuel addition method of the present invention, the gaseous fuel addition device for an internal combustion engine of the present invention may include the following embodiments.
[0017]
The gaseous fuel adding means may be capable of injecting the gaseous fuel toward a spark plug (claim 11). A guide may be formed on the piston to guide the gas toward the spark plug, and the gaseous fuel adding means may be capable of injecting the gaseous fuel toward the guide (claim 12).
[0018]
The addition control means may control the gaseous fuel addition means so that the addition amount of the gaseous fuel during the compression stroke is smaller than the addition amount of the gaseous fuel during the intake stroke (claim 13). The addition control means may control the gaseous fuel addition means such that an addition amount of the gaseous fuel during a compression stroke is a minimum necessary for forming a flame kernel near the ignition plug. Good (claim 14). A fuel supply amount control means for controlling the supply amount of the main fuel such that the amount of the main fuel supplied for one combustion is a minimum at which substantial combustion can be performed may be provided ( Claim 15). An intake flow forming means for forming an intake flow in the cylinder may be provided. The intake flow forming means may form a swirl flow or a tumble flow, and these intake flows can be realized by a valve means such as a swirl control valve or a tumble control valve disposed at a part of the intake port, a helical port, or the like. .
[0019]
Furthermore, in the gaseous fuel adding device of the present invention, there is provided an intake flow forming means for forming a swirl flow swirling around the center line of the cylinder in the cylinder, and the guide unit is configured to transfer the gaseous fuel in a direction of the swirl flow. It may be formed to be curved along (claim 17). In this case, since the gaseous fuel flows toward the spark plug along the swirl flow, there is an advantage that the gaseous fuel can be added at a lower pressure into the cylinder during the compression stroke.
[0020]
In the present invention, the main fuel is gasoline, for example, and in that case, hydrogen can be suitably used as the gaseous fuel (claims 9 and 18).
[0021]
In the present invention, the term "addition" means that gaseous fuel is added to the main fuel added to the internal combustion engine to form a fuel mixture, and the amount, speed, pressure, etc., of gaseous fuel added. Does not limit the range of addition.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a main part of an internal combustion engine in which a gaseous fuel adding apparatus according to one embodiment of the present invention is incorporated. The
[0023]
A
[0024]
(Equation 1)
β> α + θv / 2
By setting the inclination angle β in this manner, the
[0025]
On the other hand, the
[0026]
Returning to FIG. 1, the operation of the
[0027]
FIG. 3 shows the fuel injection timing from the
[0028]
As is apparent from FIG. 3, the fuel injection timing by the
[0029]
The
[0030]
FIG. 4 shows how hydrogen is injected according to FIG. FIG. 4A shows a state during the first injection period. In the first injection period, the
[0031]
In the second injection period during the subsequent compression stroke, hydrogen is injected from the
[0032]
Thereby, at the time of ignition by the
[0033]
In the above embodiment, the amount of hydrogen to be injected during the second injection period may be the minimum required for ignition. More specifically, it may be the minimum necessary for forming a flame kernel serving as a starting point of flame propagation near the
[0034]
Further, the amount of gasoline injected for one combustion may be the minimum that allows substantial combustion. Whether or not substantial combustion is possible can be evaluated by, for example, torque fluctuation. That is, if the air-fuel ratio is changed to the lean side by reducing the injection amount of gasoline, the combustion becomes gradually unstable as the air ratio increases near the lean limit, and the effect appears as torque fluctuation. Therefore, when the four strokes of intake, compression, expansion, and exhaust are defined as one unit, the limit value of the amount of torque fluctuation within one unit is set to 0.4 to 0.5 Nm. The air-fuel ratio may be set as a lean limit to specify a range in which substantial combustion is possible, and the gasoline injection amount may be set so that combustion is performed within the lean limit.
[0035]
Note that in each injection period, hydrogen may be injected continuously or may be injected a plurality of times. Although the injection amount of hydrogen in the first injection period and the second injection period may be controlled to a predetermined constant value for each injection period, the first injection amount may be controlled in accordance with the operation state of the
[0036]
Next, some preferred modifications of the above embodiment will be described with reference to FIGS. In each of the drawings, the same reference numerals are given to parts common to FIGS.
[0037]
First, regarding the injection direction of the
[0038]
As for the
[0039]
When the
[0040]
The present invention is also applicable to an in-cylinder injection type internal combustion engine that directly injects fuel into a cylinder. In particular, if the present invention is used during homogeneous combustion, the lean limit during homogeneous combustion can be increased. In an internal combustion engine that injects gasoline fuel into a cylinder, homogeneous combustion in which fuel is injected during an intake stroke to uniformly diffuse a fuel mixture into the cylinder, and fuel near a spark plug that is injected during a compression stroke. In the vicinity of the boundary between the combustion modes, fuel may be injected in the intake stroke and the compression stroke, respectively, in order to smooth the transition between the two. However, the present invention injects gaseous fuel in each of the intake stroke and the compression stroke in order to achieve homogeneous combustion, and its purpose and operation are completely different from those of double injection of gasoline fuel.
[0041]
In the present invention, the main fuel is not limited to gasoline, and various fuels used for forming a combustion mixture in an internal combustion engine can be used as the main fuel. A gaseous fuel may be used if it has the effect of improving the ignitability and flame propagation characteristics of the main fuel, and is limited to hydrogen if it does not cause undesired reactions when mixed with the main fuel. Alternatively, various gaseous fuels may be used.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the gaseous fuel addition method and apparatus of the present invention, the gaseous fuel is added in each of the intake stroke and the compression stroke, so that the main fuel and the air are added together with the expansion of the combustion chamber. Gaseous fuel is mixed thoroughly to distribute the gaseous fuel evenly in the cylinder to improve the flame propagation characteristics, and to form a region with a high concentration of gaseous fuel partially in the cylinder during the compression stroke to mix the fuel. The ignitability of the air can be improved. That is, according to the present invention, the gaseous fuel can effectively act on both the initial combustion including ignition and the latter combustion mainly involving flame propagation. Therefore, it is possible to increase the lean limit by increasing the amount of air with respect to the main fuel, thereby improving the thermal efficiency and the exhaust, and in particular, reducing the amount of NOx generated. It is not impossible to sufficiently reduce the in-cylinder temperature at the time of combustion to reduce the NOx generation amount to almost 0 by expanding the lean limit. In this case, the NOx storage catalyst can be dispensed with.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a main part of an internal combustion engine in which a gaseous fuel adding apparatus according to an embodiment of the present invention is incorporated.
FIG. 2 is a diagram showing a cavity formed on a top surface of a piston.
FIG. 3 is a timing chart showing a fuel injection timing, a hydrogen injection timing, an ignition timing, a valve opening timing of an intake / exhaust valve, and an in-cylinder pressure in association with a crank angle.
FIG. 4 is a diagram showing how hydrogen is injected into a cylinder according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an example in which the injection direction of hydrogen is changed.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of forming a swirl flow.
FIG. 7 is a diagram showing another example of forming a swirl flow.
FIG. 8 is a diagram showing an example in which a cavity of a piston is curved in accordance with a swirl flow.
[Explanation of symbols]
1 Internal combustion engine
2 Combustion chamber
3 cylinder
4 piston
4a Top surface of piston
4b Piston cavity (guide)
5 Cylinder head
6 Intake valve
7 Exhaust valve
8 Intake port
8b fork (intake flow forming means)
9 Exhaust port
10 Fuel injection valve
12 Spark plug
13. Hydrogen injection valve (gas fuel addition means)
16. Engine control unit (addition control means, fuel supply control means)
20 Hydrogen flow
30 Swirl control valve (intake flow forming means)
31 swirl flow (intake flow)
Claims (18)
前記気体燃料が吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ添加されるように前記気体燃料添加手段を制御する添加制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の気体燃料添加装置。Gaseous fuel adding means for adding a gaseous fuel different from the main fuel for forming a fuel mixture into the cylinder,
Addition control means for controlling the gaseous fuel addition means such that the gaseous fuel is added in each of an intake stroke and a compression stroke,
A gas fuel addition device for an internal combustion engine, comprising:
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Legal Events
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A521 | Written amendment |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080708 |