JP2008031922A - 燃料改質装置付き内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の始動時にクランキング初期から必要十分な改質ガスを筒内に容易に供給すること。
【解決手段】燃料改質装置22を備えたエンジン10において、吸気ポート13に接続されスロットルバルブ21を含む吸気通路11と、吸気通路11から分岐され、燃料改質装置22からの改質ガスを改質ガス供給部から供給する改質ガス供給通路26と、スロットルバルブ21の下流側の吸気通路11の内部であって、改質ガス供給通路26の改質ガス供給部の上流側近傍に配設され、エンジン10の始動時に閉状態とされることにより、負圧を生成し、吸気ポート13への改質ガスの供給量を十分に確保する負圧生成バルブ30とを備えた。
【選択図】 図1

Description

この発明は、燃料改質装置によって生成された改質ガスと空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する燃料改質装置付き内燃機関に関し、更に詳しくは、内燃機関の始動時にクランキング初期から必要十分な改質ガスを筒内に容易に供給することができる燃料改質装置付き内燃機関に関する。
従来より、炭化水素燃料と加熱空気を改質触媒に供給して反応させ、一酸化炭素、水素等のガスを取り出す燃料改質装置を備え、この燃料改質装置により生成された改質ガスと空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関が知られている。
このような燃料改質装置付き内燃機関としては、スロットルバルブを含む吸気路と、スロットルバルブの上流側で吸気路から分岐された改質空気供給路とを有するものが知られている(たとえば、特許文献1参照)。この燃料改質装置には、改質空気供給路を介して空気が供給されるようになっている。
一般に、内燃機関の始動時には、単位時間あたりに燃焼室に吸い込まれる空気の量自体が少ない。このため、内燃機関を作動させるべく燃料改質装置で燃料改質を開始させようとしても、上記従来の内燃機関では、スロットルバルブの上流側で吸気路から分岐された改質空気供給路を介して燃料改質装置に空気を十分に供給できなくなってしまうこともあった。
そこで、内燃機関の始動時に燃料改質装置に対して十分な空気を供給可能とするために、つぎに示すような技術が提案されている(たとえば、特許文献2参照)。すなわち、燃料改質装置付き内燃機関において、燃焼室に接続されており、スロットルバルブを含む吸気路と、スロットルバルブの上流側でこの吸気路から分岐されており、燃料改質装置に接続された改質空気供給路と、上記吸気路のスロットルバルブの開度を最小に設定した後に、燃料改質装置における燃料改質を開始させる制御手段とを備えたものである。
なお、関連する公知技術として、吸気通路内に吸気流制御弁を配置して機関始動時にその吸気流制御弁を閉弁制御するようにした内燃機関において、機関始動時における吸入空気量を求め、この吸入空気量に基づき機関始動時において吸入空気量が予め定められた目標空気量となるように上記吸気流制御弁の開度を制御する吸気流制御弁開度制御手段を備えた吸気制御装置も提案されている(たとえば、特許文献3参照)。
特開平9−21362号公報 特開2005−83208号公報 特開平9−14017号公報
改質ガスによる内燃機関の始動時に、クランキング初期から改質ガスと空気の適度な混合気を筒内に供給する必要がある。しかしながら、上記従来技術にあっては、エンジン始動時のクランキング中、特に始動時数サイクル間は、吸気ポート内の負圧が不足しているため、改質ガスを筒内に十分に供給することができない虞があった。このため、改質ガスの供給量が不足し、筒内で燃焼されずに排出され、炭化水素のエミッションが悪化する虞があった。
また、上記特許文献2に係る従来技術のように、スロットルバルブを閉じて吸気ポート、吸気マニホルドの負圧を大きくすることも可能であるが、サージタンクの容積が大きいため、十分な負圧確保は必ずしも容易ではない。
また、スロットルバルブの閉じ方によっては、内燃機関に供給されるべき空気が不足し、内燃機関での燃焼が維持できなくなる虞があった。
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内燃機関の始動時にクランキング初期から必要十分な改質ガスを筒内に容易に供給することができる燃料改質装置付き内燃機関を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項1に係る燃料改質装置付き内燃機関は、燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質ガスを生成する燃料改質装置を備え、前記改質ガスと空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する燃料改質装置付き内燃機関において、吸気ポートに接続されスロットルバルブを含む吸気通路と、前記スロットルバルブの上流側で前記吸気通路から分岐され、前記燃料改質装置からの前記改質ガスを改質ガス供給部により前記吸気通路に供給する改質ガス供給通路と、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気通路の内部であって前記改質ガス供給部の上流側または上流側近傍に配設され、前記内燃機関の始動時に閉状態とされることにより、前記改質ガス供給部から前記吸気ポートに供給される前記改質ガスの供給量または供給方向を調節する吸気流制御バルブと、を備えたことを特徴とするものである。
したがって、この発明によれば、内燃機関の始動時に吸気流制御バルブを閉状態とすることにより、吸気バルブから吸気流制御バルブに至る吸気通路の容積が小さくなるとともに、吸気流制御バルブの配設位置における吸気通路の流路断面積が狭くなる。
このため、吸気流制御バルブの下流では空気流速が高くなり、吸気流制御バルブの開弁時よりも更に強い負圧が生成されるので、改質ガス供給通路を流れてきた改質ガスがこの負圧によって吸引され、空気とともに吸気ポートへと導入され易くなる。
また、改質ガス供給通路の上流部に、空気を圧送するエアポンプを備えた場合には、内燃機関の始動時に吸気流制御バルブを閉状態とすることにより、エアポンプによって圧送された改質ガスが、たとえば吸気流制御バルブの上流に配設されているサージタンク側に逆流するのを抑制するとともに、他の気筒へ流入するのを抑制する。
また、この発明の請求項2に係る燃料改質装置付き内燃機関は、請求項1に記載の発明において、前記吸気流制御バルブは、前記改質ガス供給部の側に切り欠いて形成したバルブ開口部を備えたことを特徴とするものである。
したがって、この発明によれば、吸気流制御バルブのバルブ開口部にて空気流速がよりいっそう高められ、改質ガス供給部の近傍で更に強い負圧が生成されるので、改質ガスが更に強力に吸引され、吸気ポートへと導入され易くなる。
また、この発明の請求項3に係る燃料改質装置付き内燃機関は、請求項1または2に記載の発明において、前記改質ガス供給通路は、各吸気ポートに接続され、前記改質ガス供給通路の途中には、前記改質ガスの流量を調節する改質ガス流量コントロールバルブを備えたことを特徴とするものである。
したがって、この発明によれば、各吸気ポートに接続された改質ガス供給通路の改質ガス流量コントロールバルブの流量調整により、必要十分な改質ガスが精度良く各気筒内に供給される。
この発明に係る燃料改質装置付き内燃機関(請求項1)によれば、吸気流制御バルブの閉弁により負圧が生成され、改質ガスが強力に吸引されるので、クランキング初期から必要十分な改質ガスを筒内に容易に供給することができる。
また、改質ガス供給通路の上流部に、空気を圧送するエアポンプを備えた場合には、その圧力により改質ガスが吸気流制御バルブの上流側の吸気通路に逆流するのを抑制することができる。したがって、気筒内に供給されるべき改質ガスの量が不足して失火したり、エミッションが悪化するのを抑制することができる。更に、改質ガスが他の気筒に流入することにより生じるエミッションの悪化を抑制することができる。
また、この発明に係る燃料改質装置付き内燃機関(請求項2)によれば、吸気流制御バルブのバルブ開口部にて空気流速がよりいっそう高められ、改質ガス供給部の近傍で更に強い負圧が生成されるので、改質ガスを更に強力に吸引し、吸気ポートへ必要量を導入することができる。
また、この発明に係る燃料改質装置付き内燃機関(請求項3)によれば、各吸気ポートに接続された改質ガス供給通路の改質ガス流量コントロールバルブの流量調整により、必要十分な改質ガスを精度良く各気筒内に供給することができる。
以下に、この発明に係る燃料改質装置付き内燃機関(以下、適宜、エンジンと記す。)の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
図1は、この発明の実施例1に係る燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図、図2は、制御方法を示すフローチャート、図3は、改質ガス供給部近傍を示す側面断面図、図4は、吸気通路内の負圧生成バルブを示す正面図である。
図1に示すように、エンジン10は、公知技術によって構成されたポート噴射式の4サイクルガソリンエンジンであり、後述する燃料改質装置22を備えている。すなわち、燃焼室10aを臨む吸気ポート13には吸気バルブ15が配設され、燃焼室10aを臨む排気ポート14には排気バルブ16が配設されている。
吸気通路11には、エアフロメータ20、スロットルバルブ21が設けられ、このスロットルバルブ21の下流側には、サージタンク19が設けられている。このサージタンク19よりも下流の吸気通路11は、吸気ポート13に接続されている。
インジェクタ17によって吸気ポート13に噴射された燃料は、吸気通路11から導入された空気とともに、吸気バルブ15の開弁によって吸気ポート13から燃焼室10a内に導入され、その混合気が点火プラグ18によって火花点火されるようになっている。
また、燃料改質装置22は、炭化水素燃料と空気を加熱された改質触媒に供給して反応させ、一酸化炭素、水素等の改質ガスを取り出す公知のものであり、スロットルバルブ21の上流側で吸気通路11から分岐された改質ガス供給通路26に設けられている。
燃料改質装置22のインジェクタ24は、図示を省略するが、燃料ポンプを介して燃料タンクに接続されており、ガソリン等の炭化水素系燃料を燃料改質触媒23に向けて噴射可能に構成されている。改質ガス供給通路26に設けられたバルブ25は、改質ガスを吸気ポート13に供給または遮断するためのものである。
また、改質ガス供給通路26の下流側端部は、図3に示すように、改質ガス供給部26aとしてサージタンク19下流の吸気通路11に連通している。この改質ガス供給部26aは、後述する負圧生成バルブ30の下流に位置させてある。
つぎに、負圧生成バルブ(吸気流制御バルブ)30について図1、図3および図4に基づいて説明する。同図に示すように、負圧生成バルブ30は、サージタンク19よりも下流の吸気通路11内に回動軸30aにより開閉自在に設けられている。
また、負圧生成バルブ30のバルブ開口部30bは、閉弁状態でも所定の開口部をなすように、改質ガス供給部26aの側に向けて切り欠き部として形成されている。
すなわち、負圧生成バルブ30は、これを閉弁することにより、吸気バルブ15から負圧生成バルブ30に至る吸気通路11の容積を小さくするとともに、負圧生成バルブ30の配設位置における吸気通路11の流路断面積を狭くするために設けられたものである。
なお、エンジン10の排気通路12には、排気ガス中のスモークおよびNOx、HC等を浄化するための排気触媒27を備えている。
上記吸気バルブ15、排気バルブ16、スロットルバルブ21、負圧生成バルブ30、バルブ25、点火プラグ18、インジェクタ17,24等は、図示しない電子制御装置(ECU)によって制御される。
このように構成されたエンジン10を始動させる際の概略動作について説明する。先ず、改質ガス供給通路26を介して空気が導入されるとともに、上記ECUによって制御されるインジェクタ24からガソリン等の燃料が噴射される。ガソリン等の燃料は、気化するとともに導入された空気と混合し、燃料改質触媒23によって炭化水素系燃料と空気とが反応する。
この反応が進行することにより、燃料成分である一酸化炭素および水素を含む改質ガス(改質燃料)が生成される。得られた改質ガスは、吸気行程時に生じる負圧によってバルブ25を介して改質ガス供給通路26から吸気通路11に導入され、吸気ポート13に供給される。
特に、エンジン10の始動時には、後述するように、負圧生成バルブ30の閉弁により生成された負圧によって十分な改質ガスが吸気ポート13に供給される。また、吸気ポート13には、上記ECUによって開度調整されるスロットルバルブ21を介して空気が導入される。
したがって、燃料改質装置22から吸気ポート13に導入された改質ガスは、更に空気と混合した後、燃焼室10a内に吸入される。そして、所定タイミングで点火プラグ18が点火されると、燃焼室10a内で燃料成分である一酸化炭素および水素が燃焼してピストンを往復移動させ、これにより、エンジン10から動力を得ることができる。
つぎに、制御方法について図2に基づいて図1、図3および図4を参照しつつ説明する。図2に示すように、改質ガスによりエンジン10を始動する際には(ステップS10肯定)、負圧生成バルブ30を閉じて(ステップS20)、エンジン10を始動する。
図3に拡大して示すように、始動時に負圧生成バルブ30を閉弁状態とすることにより、吸気バルブ15から負圧生成バルブ30に至る吸気通路11の容積が小さくなるとともに、負圧生成バルブ30の配設位置における吸気通路11の流路断面積が狭くなる。
すなわち、図4に示すように、負圧生成バルブ30を閉じると、吸気通路11の流路はバルブ開口部30bとなり、負圧生成バルブ30が開いている場合と比較して流路が絞られて狭くなる。
このため、バルブ開口部30b近傍では、空気流速が高くなり、その近傍の下流には負圧生成バルブ30の開弁時よりも更に強い負圧が生成される。この空気流速が高まる箇所の下流近傍に開口部としての改質ガス供給部26aが位置しているので、改質ガス供給通路26を流れてきた改質ガスが上記負圧によって吸引され、空気との混合気となって吸気ポート13へと導入され易くなる。
続いて、現時点のエンジン10の回転数が、所定の回転数N1を越えたら(ステップS30肯定)、筒内の混合気が完全爆発したと判定され、負圧生成バルブ30を開けて(ステップS40)、制御を終了する。
一方、筒内の混合気が完全爆発したと判定されるまでは、負圧生成バルブ30は閉じたままとする(ステップS30否定、ステップS20)。
筒内の混合気が完全爆発した後は、吸気通路11(吸気ポート13)内に大きな負圧が発生するため、負圧生成バルブ30を開いても改質ガスを十分に供給することができる。また、負圧生成バルブ30を開くことにより、吸気圧力損失を低減することができる。
なお、改質ガスによりエンジン10を始動しないのであれば(ステップS10否定)、本制御の対象外であるので、負圧生成バルブ30を開けておく(ステップS40)。
以上のように、この実施例1に係る燃料改質装置付き内燃機関によれば、エンジン10の始動時に負圧生成バルブ30を閉じておくことによって、クランキング初期から必要十分な改質ガスを筒内に容易に供給することができる。
図5は、この発明の実施例2に係る燃料改質装置付き内燃機関の改質ガス供給部近傍を示す側面断面図である。なお、以下の説明において、すでに説明した部材、ステップ番号と同一もしくは相当するものには、同一の符号を付して重複説明を省略または簡略化する。
上記実施例1では、改質ガス供給部26aを負圧生成バルブ30の下流に位置させていたが、本実施例2では、改質ガス供給部26aを負圧生成バルブ30のバルブ開口部30bのほぼ直上(下流近傍)に位置させたものである。
すなわち、本実施例2は、負圧生成バルブ30のバルブ開口部30bにおいて最も高められた空気流速を利用して改質ガスを吸引させるようにしたものである。その他の基本構成および制御方法は、上記実施例1の場合と同様であるので、重複説明を省略する。
以上のように、この実施例2に係る燃料改質装置付き内燃機関によれば、改質ガス供給部26aを負圧生成バルブ30の下流の遠い箇所に位置させる必要がなくなり、搭載性の自由度を拡大することができる。
図6は、この発明の実施例3に係る燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図、図7は、改質ガス流量コントロールバルブを各気筒に対応させて設けた燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図、図8は、改質ガス流量コントロールバルブの開弁時期を示す概念図である。
図6〜図7に示すように、本実施例3は、上記実施例1の構成(図1参照)に加えて、エンジン10の吸気系に供給する改質ガスの流量を制御する改質ガス流量コントロールバルブ32を、エンジン10の各気筒毎に配設したものである。
そして、図8に示すように、エンジン10の始動時において各気筒の排気行程後半から吸気行程中期には、改質ガス流量コントロールバルブ32を開弁するようにしたものである。改質ガス流量コントロールバルブ32も上記ECUによって開閉制御される。
なお、上記実施例1で設けていたバルブ25は、改質ガス流量コントロールバルブ32の導入により不要となるので、本実施例3では、設けていない。
各気筒の吸気行程中は、負圧生成バルブ30の閉弁によって吸気ポート13内の負圧が大きくなるため、改質ガス流量コントロールバルブ32を、図8に示すように、たとえば排気行程後半から吸気行程中期に所定量開弁することにより、必要十分な改質ガスが精度良く各気筒内に吸引される。
以上のように、この実施例3に係る燃料改質装置付き内燃機関によれば、改質ガス流量コントロールバルブ32をエンジン10の各気筒毎に配設したことにより、必要十分な改質ガスを精度良く各気筒内に供給することができる。
なお、上記実施例3においては、改質ガス流量コントロールバルブ32を各気筒毎に排気行程後半から吸気行程中期に開弁するものとして説明したが、これに限定されず、少なくとも吸気行程中に開弁すればよい。
図9は、この発明の実施例4に係る燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図、図10は、制御方法を示すフローチャートである。
図9に示すように、本実施例4は、上記実施例1の構成(図1参照)において、改質ガス供給通路26の途中であってインジェクタ24よりも上流側に、燃料改質触媒23に空気を圧送するエアポンプ34を配設したものである。
また、本実施例4では、上記エアポンプ34により供給される改質ガスがサージタンク19側に逆流するのを抑制するとともに、他の気筒へ流入するのを抑制するために、上記実施例1で設けた負圧生成バルブ30を逆流抑制バルブ40として設けたものである。
すなわち、吸気通路11の途中であって改質ガス供給部26aの上流側に逆流抑制バルブ40が設けられ、上記ECUによって開閉制御されるように構成されている。逆流抑制バルブ40の構成は、上記負圧生成バルブ30の構成と同様であるので、重複説明を省略する。
また、逆流抑制バルブ40による制御方法も、図2に示した負圧生成バルブ30の制御方法と基本的に同様であり、図10に示すように、負圧生成バルブ30の動作に相当するステップS20、S40(図2参照)を、逆流抑制バルブ40を閉弁するステップS22と、逆流抑制バルブ40を開弁するステップS42に置換したものである。
すなわち、図10に示すように、改質ガスによるエンジン10の始動時に(ステップS10肯定)、逆流抑制バルブ40を閉じる(ステップS22)ことにより、エアポンプ34により圧送された改質ガスがサージタンク19側に逆流するのを抑制することができるとともに、他の気筒へ流入するのを抑制することができる。
現時点のエンジン10の回転数が、所定の回転数N1を越えたら(ステップS30肯定)、筒内の混合気が完全爆発したと判定され、逆流抑制バルブ40を開けて(ステップS42)、制御を終了する。
一方、筒内の混合気が完全爆発したと判定されるまでは、逆流抑制バルブ40は閉じたままとする(ステップS30否定、ステップS22)。
以上のように、この実施例4に係る燃料改質装置付き内燃機関によれば、改質ガスの逆流により、気筒内に供給されるべき改質ガスの量が不足して失火したり、エミッションが悪化するのを抑制することができる。更に、改質ガスが他の気筒に流入することにより生じるエミッションの悪化を抑制することができる。
図11は、この発明の実施例5に係る燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図、図12は、改質ガス流量コントロールバルブを各気筒に対応させて設けた燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図である。
図11および図12に示すように、本実施例5は、上記実施例4の構成(図1参照)に加えて、エンジン10の吸気系に供給する改質ガスの流量を制御する改質ガス流量コントロールバルブ32を、エンジン10の各気筒毎に配設したものである。
また、本実施例5の基本制御方法は、上記実施例4の制御方法(図10参照)と同様であり、これに加えて、改質ガス流量コントロールバルブ32を開くタイミングを、各気筒の吸気バルブ15が閉じている時としたものである。
各気筒の吸気バルブ15が開いている時に、改質ガス流量コントロールバルブ32を開いて改質ガスを供給し始めると、吸気行程中に十分な改質ガスを気筒内に供給することができず、失火やエミッションの悪化を招く虞があるからである。
以上のように、この実施例5に係る燃料改質装置付き内燃機関によれば、エンジン10の始動時に逆流抑制バルブ40を閉じることにより、改質ガスのサージタンク19側への逆流が抑制され、改質ガスの供給量が不足するのを抑制することができる。
また、吸気バルブ15を開ける前に改質ガス流量コントロールバルブ32を開けて改質ガスを各気筒に供給し始めることにより、必要十分な改質ガスを精度良く各気筒内に供給することができる。
以上のように、この発明に係る燃料改質装置付き内燃機関は、燃料改質装置によって生成された改質ガスと空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関に有用であり、特に、内燃機関の始動時にクランキング初期から必要十分な改質ガスを筒内に容易に供給することを目指す内燃機関に適している。
この発明の実施例1に係る燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図である。 制御方法を示すフローチャートである。 改質ガス供給部近傍を示す側面断面図である。 吸気通路内の負圧生成バルブを示す正面図である。 この発明の実施例2に係る燃料改質装置付き内燃機関の改質ガス供給部近傍を示す側面断面図である。 この発明の実施例3に係る燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図である。 改質ガス流量コントロールバルブを各気筒に対応させて設けた燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図である。 改質ガス流量コントロールバルブの開弁時期を示す概念図である。 この発明の実施例4に係る燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図である。 制御方法を示すフローチャートである。 この発明の実施例5に係る燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図である。 改質ガス流量コントロールバルブを各気筒に対応させて設けた燃料改質装置付き内燃機関を示す概略構成図である。
符号の説明
10 エンジン(内燃機関)
10a 燃焼室
11 吸気通路
13 吸気ポート
15 吸気バルブ
17 インジェクタ
19 サージタンク
21 スロットルバルブ
22 燃料改質装置
23 燃料改質触媒
24 インジェクタ
26 改質ガス供給通路
26a 改質ガス供給部
30 負圧生成バルブ(吸気流制御バルブ)
30b バルブ開口部
32 改質ガス流量コントロールバルブ
34 エアポンプ
40 逆流抑制バルブ(吸気流制御バルブ)

Claims (3)

  1. 燃料と空気との混合気を改質して所定の燃料成分を含む改質ガスを生成する燃料改質装置を備え、前記改質ガスと空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する燃料改質装置付き内燃機関において、
    吸気ポートに接続されスロットルバルブを含む吸気通路と、
    前記スロットルバルブの上流側で前記吸気通路から分岐され、前記燃料改質装置からの前記改質ガスを改質ガス供給部により前記吸気通路に供給する改質ガス供給通路と、
    前記スロットルバルブの下流側の前記吸気通路の内部であって前記改質ガス供給部の上流側または上流側近傍に配設され、前記内燃機関の始動時に閉状態とされることにより、前記改質ガス供給部から前記吸気ポートに供給される前記改質ガスの供給量または供給方向を調節する吸気流制御バルブと、
    を備えたことを特徴とする燃料改質装置付き内燃機関。
  2. 前記吸気流制御バルブは、前記改質ガス供給部の側に切り欠いて形成したバルブ開口部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料改質装置付き内燃機関。
  3. 前記改質ガス供給通路は、各吸気ポートに接続され、前記改質ガス供給通路の途中には、前記改質ガスの流量を調節する改質ガス流量コントロールバルブを備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料改質装置付き内燃機関。
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