JP2010038003A - 火花点火式ガス燃料内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】部分負荷運転域での吸気通路の負圧を低減することにより、ポンピング損失を改善できる火花点火式ガス燃料内燃機関を提供する。
【解決手段】少なくとも吸気制御弁２３を略全閉とする運転条件下では、吸気行程開始前に、もしくは吸気行程前半にガス燃料を前記吸気制御弁２３の下流側に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素，ＣＮＧ，プロパン，ブタン等を燃料とする火花点火式ガス燃料内燃機関に関する。

この種のガス燃料内燃機関では、スロットル弁により吸入空気量を、ガス燃料供給弁により燃料供給量を調整することにより出力制御を行うようにしている。またこの種の内燃機関では、気筒内に横渦又は縦渦の吸気渦流を生成させるために、吸気通路に、前記スロットル弁をバイパスするようにバイパス通路を設ける場合がある（例えば、特許文献１参照）。
特許第３５５７３１４号

ところで、前記従来の内燃機関では、スロットル弁が略全閉状態の部分負荷運転域においては、吸気通路内は負圧が維持されることから、ポンピング損失が生じるという問題がある。

本発明は、前記従来の状況に鑑みてなされたもので、部分負荷運転域での吸気通路の負圧を低減することにより、ポンピング損失を改善できる火花点火式ガス燃料内燃機関を提供することを課題としている。

請求項１の発明は、燃焼室に連通する吸気通路と、該吸気通路の燃焼室に開口する吸気開口を開閉する吸気弁と、前記吸気通路に配設され、機関運転状態に応じて通路面積を変化させる吸気制御弁と、前記吸気通路の吸気制御弁より上流側に配設されたスロットル弁と、前記吸気制御弁をバイパスするように、かつ前記燃焼室内において吸気渦流を生成するよう設けられたバイパス通路と、該バイパス通路に介設され、吸気の気筒側への流れのみを許容する逆止弁とを備えた火花点火式ガス燃料内燃機関であって、前記吸気通路の吸気制御弁より下流側にガス燃料を供給するガス燃料供給弁を配設し、少なくとも前記吸気制御弁を略全閉とする運転条件下では、ガス燃料を吸気行程開始前に、もしくは吸気行程前半に供給することを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１に記載のものと同様の火花点火式ガス燃料内燃機関であって、前記バイパス通路の逆止弁より下流側にガス燃料を供給するガス燃料供給弁を配設し、少なくとも前記吸気制御弁を略全閉とする運転条件下では、ガス燃料を吸気行程開始前に、もしくは吸気行程前半に供給することを特徴としている。

ここで、本発明において、ガス燃料を吸気行程開始前に供給するとは、必ずしも必要燃料量の全てを供給する必要はなく、その一部を供給する場合も含む。

また、本発明において、吸気行程前半とは、吸気行程開始から吸気弁のリフト量が最大リフトとなるまでの期間を意味する。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の火花点火式ガス燃料内燃機関において、前記吸気通路の吸気制御弁とスロットル弁との間にはサージタンクが接続され、前記吸気制御弁は、前記吸気通路の前記サージタンクの接続部近傍に設けられていることを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の火花点火式ガス燃料内燃機関において、少なくとも低負荷運転域では、前記吸気行程開始前にガス燃料の供給を終了することを特徴としている。

請求項１の発明に係る内燃機関によれば、少なくとも吸気制御弁を略全閉とする運転条件下では、ガス燃料を吸気行程開始前に、あるいは吸気行程前半に吸気通路に供給するようにしている。吸気行程開始前にガス燃料を吸気通路に供給した場合は、極低負荷運転域において有効である。即ち、極低負荷運転域では、吸気制御弁が全閉されている点及びバイパス通路に逆止弁が配設されている点から、吸気通路は負圧状態が維持されている。この負圧状態の吸気通路に、液体燃料に比べて容積の大きいガス燃料を供給することにより、吸気通路の負圧が低減され、ポンピング損失を改善できる。例えば、常温で極めて短時間にガス化するＬＰＧ燃料を供給した場合には、吸気通路の吸気弁上流側の負圧が直ちに低減され、ポンピング損失を改善できる。また吸気行程開始前に燃料ガスを供給することで内部ＥＧＲが低減されることにより、極低負荷運転域での燃焼状態が改善される。

吸気行程前半にガス燃料を吸気通路に供給した場合は、中・高負荷運転域で有効である。即ち、この場合、吸気弁の開き始めには吸気通路に大きな負圧があるため内部ＥＧＲ量を維持でき、さらに吸気行程前半にガス燃料を供給することでトータルの混合気量（新気＋ガス燃料＋内部ＥＧＲ）が増加して吸気通路の負圧が低下し、ポンピング損失が低減する。さらに内部ＥＧＲによる実質的な圧縮圧力の上昇により、燃費低減効果も期待できる。

請求項２の発明によれば、少なくとも吸気制御弁を略全閉とする運転条件下では、ガス燃料を吸気行程開始前に、もしくは吸気行程前半にバイパス通路に供給するようにしている。吸気行程開始前にガス燃料をバイパス通路に供給した場合は、請求項１の場合と同様に極低負荷運転域において有効であり、吸気通路の負圧状態を低減することができ、ポンピング損失の改善と内部ＥＧＲが低減されることにより、極低負荷運転域での燃焼状態が改善される。

吸気行程前半にガス燃料をバイパス通路に供給した場合は、中・高負荷運転域で有効である。即ち、この場合、請求項１の場合と同様の効果が得られ、さらに吸気行程中にガス燃料をバイパス通路に噴出することで、縦渦，横渦等の強い吸気渦流が形成されることから、急速燃焼が可能となる。また燃焼が遅いとオーバーラップ時に吸気通路内で燃焼するいわゆるバックファイアが生じるが、本発明では前記急速燃焼の効果によりバックファイアを抑制できる。

なお、内部ＥＧＲは、部分負荷運転域においては実質的に圧縮圧力を高める効果があるので、熱効率を向上させるには有効であるものの、理論空燃比（λ＝１）運転では火炎伝播速度が低下し、充分な熱効率効果が得られにくい。本発明では、部分負荷運転域では、バイパス通路からの流れにより、気筒内において横渦又は縦渦の強い吸気渦流が形成されることから、ガス燃料，新気，既燃ガスのミキシングと吸気渦流とにより急速燃焼が可能となり、高効率燃焼，低公害排気ガス，低ポンピング損失が得られる。

請求項３の発明では、吸気制御弁を、吸気通路のサージタンクの接続部近傍に配置したので、吸気通路の吸気制御弁から吸気弁までの通路容積を大きくすることができ、吸気行程前半において気筒内に吸引するのに必要な空気量を蓄えることができる。その結果、吸気行程前半でのポンピング損失を低減しつつ、吸気行程後半での強い吸気渦流の噴出を実現でき、燃費性能を向上できる。

請求項４の発明では、少なくとも低負荷運転域では、吸気行程開始前にガス燃料の供給を終了するようにしたので、吸気通路の負圧を低減しつつ、内部ＥＧＲの過多を抑制できる。即ち、アイドリング時を含む低負荷運転では、吸入空気量が少ないことから吸気負圧が高くなり、それだけ内部ＥＧＲの流入割合が増加する。このため火炎伝播が不安定となり、失火が生じ易くなる。本発明では、吸気行程開始前にガス燃料の供給を終了するので、それだけガス燃料量が増加し、吸気負圧が低減され、その結果、内部ＥＧＲの流入割合を減少せることができ、安定した燃焼が可能となり、失火を防止できる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明の第１実施形態による火花点火式ガス燃料内燃機関を説明するための図であり、図１は火花点火式内燃機関の概略構成図、図２は内燃機関の断面図である。

図において、１は４サイクル多気筒火花点火式ガス燃料内燃機関を示している。該内燃機関１は、複数のシリンダボア（気筒）２ａ，２ａが形成されたシリンダブロック２に、各シリンダボア２ａに対向するよう燃焼凹部３ａが形成されたシリンダヘッド３を接続し、前記各シリンダボア２ａ内にピストン４を摺動自在に挿入配置した概略構造を有する。

前記シリンダボア２ａ，燃焼凹部３ａ及びピストン４の頂面で囲まれた空間により燃焼室５が形成されている。また前記ピストン４はコンロッド４ａによりクランク軸１１に連結されている。

前記シリンダヘッド３の燃焼凹部３ａには、燃焼室５に連通する２つの吸気開口３ｂ，３ｂと、２つの排気開口３ｃ，３ｃが形成されている。この各吸気開口３ｂ，排気開口３ｃは、それぞれクランク軸の軸線ｃを挟んだ一側，他側に配置され、かつ該軸線ｃを挟んで互いに略対向している。

前記各吸気開口３ｂ，排気開口３ｃには、それぞれ吸気弁６，排気弁７が配設され、該吸気弁６，排気弁７はそれぞれ吸気カム軸８，排気カム軸９により開閉駆動される。なお、図示していないが、本実施形態エンジン１は、吸気弁６と排気弁７とが同時に開となるオーバーラップ期間を調整可能とする可変動弁機構を備えている。

前記シリンダヘッド３のシリンダボア２ａには、点火プラグ１０が燃焼凹部３ａの中心に臨むよう装着されている。該点火プラグ１０は、前記軸線ｃより排気弁７側に僅かに偏位して配置されている。

前記各吸気開口３ｂは、吸気ポート３ｄ，３ｄによりシリンダヘッド３の一側壁に導出され、各排気開口３ｃは、排気ポート３ｅ，３ｅによりシリンダヘッド３の他側壁に導出されている。

前記各排気ポート３ｅには、排気管１２が接続され、該排気管１２の合流部１３には触媒１４が接続され、該合流部下流端にはマフラ（不図示）が接続されている。

前記各吸気ポート３ｄには、前記吸気開口３ｂに連通する吸気管（吸気通路）１５，１５が接続されている。

該各吸気管１５の上流端部１５ｂ，１５ｂには、共通のサージタンク１６が接続されており、該サージタンク１６には、吸気合流管１７を介在させてエアクリーナ（不図示）が接続されている。前記吸気合流管１７には各気筒共通のスロットル弁１８が配設されている。

前記各吸気管１５の上流端部１５ｂには、該内燃機関１の運転状態に応じて通路面積を変化させる吸気制御弁２３，２３が配設されている。該吸気制御弁２３は、吸気管１５のサージタンク１６接続部近傍に配置されている。

前記内燃機関１は、前記吸気制御弁２３をバイパスするよう配設されたバイパス通路２５，２５と、各バイパス通路２５の上流側に設けられた逆止弁２６とを備えている。

前記各バイパス通路２５は、シリンダボア２ａ内で横渦又は縦渦の吸気流が生成するよう空気を方向付けして噴出させるものであり、前記吸気管１５の下側にこれに沿うように配置されている。

前記各バイパス通路２５の下流部は、２つの枝管２５ａ，２５ａに分岐され、各枝管２５ａの下流端口２５ａ′はそれぞれ前記吸気ポート３ｄの吸気開口３ｂの近傍に接続されている。即ち、前記バイパス通路２５は前記下流端口２５ａ′を介して前記吸気管１５に連通している。また前記バイパス通路２５の上流端口２５ｂは、前記サージタンク１６に接続されている。

前記逆止弁２６は、吸気の気筒側への流れのみを許容し、逆流を阻止するリード弁型のものであり、前記バイパス通路２５の上流端口２５ｂの近傍に配置されている。

前記各吸気管１５の吸気制御弁２３より下流側、具体的には吸気ポート３ｄ
の上流端付近には、電磁弁式のガス燃料供給弁２０，２０が装着されている。該各ガス燃料供給弁２０は、水素，プロパン，ブタン等のガス燃料を前記吸気弁６の弁裏中心部に向けて噴射するよう配置されている。

そして前記内燃機関１は、機関運転状態に応じて、前記吸気制御弁２３を開閉制御するとともに、前記ガス燃料供給弁２０の燃料噴射時期，噴射量を制御するＥＣＵ３２を備えている。

前記ＥＣＵ３２は、低・中負荷の部分負荷運転域では、吸気制御弁２３を全閉とするとともに、ガス燃料を吸気行程の開始前に、吸気管１５の吸気制御弁２３より下流側に噴射供給し、かつ吸気弁６が開く前（吸気行程開始前）にガス燃料の供給を終了するように構成されている。なお、吸気行程前半、つまり吸気弁が開き始めてから最大リフトとなるまでの間にガス燃料を供給するようにしてもよく、また吸気行程の開始前から吸気行程前半に渡ってガス燃料を供給するようにしても良い。

本実施形態の内燃機関１によれば、吸気制御弁２３を略全閉とする部分負荷運転域では、ガス燃料を吸気管１５に、かつ吸気行程開始前に供給するようにしたので、吸気管１５の負圧状態がガス燃料により低減されることとなり、ポンピング損失を改善できる。即ち、部分負荷運転域においては吸気制御弁２３が略全閉であること、及びバイパス通路２５に逆止弁２６が配設されていることから、吸気管１５内は負圧状態に維持されている。この負圧状態の吸気管１５内に、ガソリン等の液体燃料に比べて容積の大きいガス燃料を供給することにより、吸気管１５の負圧が低減される。例えば、常温で極めて短時間にガス化するＬＰＧ燃料を供給した場合には、吸気管１５の吸気弁６上流側の負圧が直ちに低減され、ポンピング損失をさらに改善できる。

本実施形態では、吸気制御弁２３を、吸気管１５のサージタンク１６接続部近傍に配置したので、吸気管１５の吸気制御弁２３から吸気弁６までの通路容積を大きくすることができ、吸気行程前半においてシリンダボア２ａ内に吸引するのに必要な空気量を蓄えることができる。その結果、吸気行程前半でのポンピング損失を低減しつつ、吸気行程後半での強い吸気渦流の噴出を可能にでき、燃費性能を向上できる。

本実施形態では、ガス燃料供給弁２０を、吸気管１５の吸気制御弁２３より下流側に配置したので、予混合と吸気弁の隙間を通過する際の高速流による乱流とで混合が促進され、シリンダボア２ａ内でのミキシングを良好に行うことができる。

本実施形態では、低負荷運転域では、吸気弁６が開く前にガス燃料の供給を終了するようにしたので、吸気管１５の負圧を低減でき、内部ＥＧＲの過多を抑制できる。即ち、アイドリング時を含む低負荷運転では、吸入空気量が少ないことから吸気負圧が高くなり、それだけ内部ＥＧＲの流入割合が増加する。このため火炎伝播が不安定となり、失火を生じ易くなる。このような現象はオーバーラップ期間が広いほど顕著である。

本実施形態では、吸気弁６が開く前にガス燃料の供給を終了させるので、吸気負圧が低減され、それだけオーバーラップ時の内部ＥＧＲの流入割合を減少させることができ、安定した燃焼が可能となり、失火を防止できる。

なお、前記実施形態では、部分負荷運転域で、吸気行程開始前にガス燃料を噴射供給するようにしたが、本発明では、吸気行程のオーバーラップ終了後にガス燃料を供給するようにしてもよい。

このように、部分負荷運転域で、ガス燃料をオーバーラップ終了後に供給した場合には、排気弁７が閉じた後にガス燃料が供給されることから、排気弁７が閉じる前に導入される内部ＥＧＲを減少させることなく吸気通路の負圧状態を低減することができ、ポンピング損失を改善できる。

またオーバーラップ終了後にガス燃料を供給するので、急速燃焼が可能となり、バックファイヤの抑制も可能となる。

前記内燃機関１では、吸気弁６と排気弁７とが同時に開くオーバーラップ期間を設けることにより、適量の内部ＥＧＲを吸気通路に流入させることでポンピング損失を低減して燃費の向上を図ることができる。

本実施形態では、オーバーラップ時にシリンダボア２ａ内から吸気管１５に流入した内部ＥＧＲによって吸気負圧が低減され、さらにオーバーラップ終了後にガス燃料を供給することで内部ＥＧＲを減らすことなく吸気負圧をより減じることができ、ポンピング損失をより改善できる。

また内部ＥＧＲは、部分負荷運転域においては実質的に圧縮圧力を高める効果があるので、熱効率を向上させるには有効であるものの、理論空燃比（λ＝１）運転では火炎伝播速度が低下し、充分な熱効率効果が得られにくい。

本実施形態では、部分負荷時には、バイパス通路２５からシリンダボア２ａ内に横渦又は縦渦の強い吸気流が流入することから、ガス燃料，新気，既燃ガスのミキシングとタービュレンスとにより急速燃焼が可能となり、高効率燃焼，低公害排気ガス，低ポンピング損失が得られる。

図３は、本発明の第２実施形態によるガス燃料内燃機関を説明するための図である。図中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本実施形態のガス燃料内燃機関１は、バイパス通路２５の逆止弁２６より下流側にガス燃料供給弁２０を接続し、吸気行程前半において、具体的には吸気弁６が開き始めてから最大リフトとなるまでの開期間中にガス燃料を供給するように構成されている。

本実施形態では、吸気行程前半においてガス燃料をバイパス通路２５に供給するようにしたので、新気とガス燃料によりシリンダボア２ａ内には強い吸気渦流が生成されることとなる（図２の矢印参照）。これにより、良好な燃焼が得られる。その結果、液体燃料に比べて貫通力の小さいガス燃料を供給した場合にも、シリンダボア２ａ内での既燃ガス，新気，ガス燃料のミキシングを促進でき、燃料効率を高めることができる。

なお、前記ガス燃料を、吸気行程の開始前にバイパス通路２５に供給するようにしても良い。このようにした場合には、バイパス通路２５を介して吸気通路１５内にガス燃料が充填され、ポンピングロスを低減できる。またオーバーラップ前の吸気負圧を低減できることから、オーバーラップ時の内部ＥＧＲを減量でき、極低負荷運転域での燃焼を改善できる。

本発明の第１実施形態による火花点火式ガス燃料内燃機関の概略構成図である。 前記内燃機関の断面図である。 本発明の第２実施形態による火花点火式ガス燃料内燃機関の概略構成図である。

符号の説明

１ 内燃機関
３ｂ 吸気開口
５ 燃焼室
６ 吸気弁
７ 排気弁
１２ 排気管（排気通路）
１５ 吸気管（吸気通路）
１６ サージタンク
１８ スロットル弁
２０ ガス燃料供給弁
２３ 吸気制御弁
２５ バイパス通路
２６ 逆止弁

Claims (4)

1. 燃焼室に連通する吸気通路と、
   該吸気通路の燃焼室に開口する吸気開口を開閉する吸気弁と、
   前記吸気通路に配設され、機関運転状態に応じて通路面積を変化させる吸気制御弁と、
   前記吸気通路の吸気制御弁より上流側に配設されたスロットル弁と、
   前記吸気制御弁をバイパスするように、かつ前記燃焼室内において吸気渦流を生成するよう設けられたバイパス通路と、
   該バイパス通路に介設され、吸気の気筒側への流れのみを許容する逆止弁と
   を備えた火花点火式ガス燃料内燃機関であって、
   前記吸気通路の吸気制御弁より下流側にガス燃料を供給するガス燃料供給弁を配設し、
   少なくとも前記吸気制御弁を略全閉とする運転条件下では、ガス燃料を吸気行程開始前に、もしくは吸気行程前半に供給する
   ことを特徴とする火花点火式ガス燃料内燃機関。
2. 燃焼室に連通する吸気通路と、
   該吸気通路の燃焼室に開口する吸気開口を開閉する吸気弁と、
   前記吸気通路に配設され、機関運転状態に応じて通路面積を変化させる吸気制御弁と、
   前記吸気通路の吸気制御弁より上流側に配設されたスロットル弁と、
   前記吸気制御弁をバイパスするように、かつ前記燃焼室内において吸気渦流を生成するよう設けられたバイパス通路と、
   該バイパス通路に介設され、吸気の気筒側への流れのみを許容する逆止弁と
   を備えた火花点火式ガス燃料内燃機関であって、
   前記バイパス通路の逆止弁より下流側にガス燃料を供給するガス燃料供給弁を配設し、
   少なくとも前記吸気制御弁を略全閉とする運転条件下では、ガス燃料を吸気行程開始前に、もしくは吸気行程前半に供給する
   ことを特徴とする火花点火式ガス燃料内燃機関。
3. 請求項１又は２に記載の火花点火式ガス燃料内燃機関において、
   前記吸気通路の吸気制御弁とスロットル弁との間にはサージタンクが接続され、
   前記吸気制御弁は、前記吸気通路の前記サージタンクの接続部近傍に設けられている
   ことを特徴とする火花点火式ガス燃料内燃機関。
4. 請求項１又は２に記載の火花点火式ガス燃料内燃機関において、
   少なくとも低負荷運転域では、前記吸気行程開始前にガス燃料の供給を終了する
   ことを特徴とする火花点火式ガス燃料内燃機関。

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