JP3291012B2 - 気体燃料エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素ガス等の気体燃料
を用いる気体燃料エンジンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、水素ガス等の可燃性気体を燃料と
して使用する気体燃料エンジンが開発されつつあるが、
気体燃料を用いる場合、その容積率がガソリンと比べて
格段に大きく、また、水素ガス等はガソリンと比べて燃
焼速度が速い等、特有の事情があることから、空気吸入
量の確保、気体燃料供給量のコントロール、バックファ
イアや過早着火の防止等の面で、対策が必要となる。

【０００３】従来のこの種の気体燃料エンジンとして、
例えば特公昭５８−３６１７２号公報に示されているも
のでは、空気吸入用の通路と水素ガス供給用の通路とを
別個に形成してそれぞれに吸気弁および水素供給弁を設
けるとともに、吸気弁を下死点で閉じる一方、水素供給
弁を下死点で開いて、両者の開弁期間がラップしないよ
うにすることにより、容積率の大きい水素ガスが空気の
吸入を妨げることのないようにしつつ、水素供給弁が開
いている間に、シリンダ内圧より高い圧力で水素ガスを
燃焼室に送り込むようにしている。また、特公平１−２
３６５９号公報に示された発明では、燃焼室に空気を供
給する空気吸入弁と加圧した気体燃料を供給する燃料吸
入弁とを独立に設け、上記燃料吸入弁を空気吸入行程終
了間際の下死点近傍で開弁させることにより、やはり空
気吸入を確保しつつ気体燃料を燃焼室に加圧供給するよ
うにしている。

【０００４】また、特開平２−８６９２１号公報に示さ
れた発明では、水素ガスを燃料通路からキャブレータへ
導きインテークマニホールドを通して燃焼室に供給する
エンジンにおいて、エンジン停止後にキャブレータやイ
ンテークマニホールドに水素ガスが滞留して再始動時に
バックファイアが生じるという事態を防止するため、エ
ンジンキーオフとなったときに、エンジンの点火動作を
維持した状態で、燃料通路中の電磁制御弁により燃料通
路を遮断するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の特公昭５８−３
６１７２号公報や特公平１−２３６５９号公報に示され
たエンジンによると、通常のエンジン運転中はエンジン
の吸入空気量に見合うように気体燃料の供給量が調整さ
れるが、例えばエンジン始動時における始動不良等によ
り正常運転中に比べてエンジン回転数が極端に低く、空
気流通量が少ない状態のときに、適正に燃料供給量を制
御することが困難になり、エンジンが正常に作動しない
状態で不必要に気体燃料が供給される場合があり得る。
また、上記特開平２−８６９２１号公報に示されている
エンジンによると、エンジンキーオフによるエンジン停
止時には水素ガスの供給が停止されるが、このエンジン
でも、例えばエンジン始動時にバッテリ電圧不足等のた
めスタータによるエンジン回転の立ち上がりが悪くてエ
ンジン回転数が極めて低い状態が続くような始動不良が
生じたときや、運転中にエンストが生じた場合のエンジ
ン停止直前の状態にあるときには、エンジンキーがオン
で、かつエンジンが正常時よりは著しく低い回転数で回
転している状態となることがあって、このような場合に
は気体燃料の供給が行われる。

【０００６】そして、上記のように始動不良時、エンス
ト時等に不必要に気体燃料が供給されると、空燃比がず
れ、例えばオーバリッチとなることにより、混合気が燃
焼室内で正常に燃焼せず、排気系に流出してから燃焼す
るアフタバーンが生じたり、吸気系に漏れてバックファ
イアが生じたりする可能性がある。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑み、エンジンの
始動不良時やエンスト時におけるエンジン停止直前のと
きなどに、不適正な気体燃料の供給によるアフタバーン
やバックファイアを防止することができる気体燃料エン
ジンを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、加圧された気体燃料をシリンダに供給す
る気体燃料供給手段を備えた気体燃料エンジンにおいて
気体燃料を導く燃料通路とシリンダ内に空気を供給する
吸気通路とを別個に形成し、上記燃料通路中において燃
料の流通を遮断可能とする遮断弁と、吸気通路中におい
て空気流通量に応じた負圧を発生するベンチュリ部とを
設けるとともに、上記吸気通路の空気流通量が所定量以
下のときに上記遮断弁を閉作動するように上記ベンチュ
リ部からの負圧の変化に応動して機械的に遮断弁を開閉
作動する圧力応動式アクチュエーターからなる遮断弁作
動手段を設けたものである。

【０００９】

【作用】本発明の構成によると、エンジンの始動不良や
エンスト等によってエンジン回転数が極端に低くなった
場合は、吸気通路中の空気流通量が正常運転中と比べて
低い値である所定値以下になり、それに応じて上記遮断
弁が閉弁されることにより、エンジンに対する不適正な
気体燃料の供給が確実に停止される。

【００１０】さらに、ベンチュリ負圧に応じた機械的コ
ントロールにより、上記遮断弁の開閉作動が確実に行わ
れる。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

【００１２】図１および図２は本発明に係る気体燃料エ
ンジンの一実施例を示しており、当実施例のエンジンは
ロータリピストンエンジンである。また、実施例では、
気体燃料として水素ガスを例示している。

【００１３】ロータリピストンエンジンおよび燃料供給
装置の全体構造は図１に示されている。ロータリピスト
ンエンジンは、ペリトロコイド状の内周面を有するロー
タハウジング１とその両側に位置するサイドハウジング
２，３とにより構成されたシリンダを有し、その内方
に、略三角形状のロータ４を配置している。２ロータの
ロータリピストンエンジンにあっては、インタミディエ
イトハウジング（中間部のサイドハウジング）３を挾ん
でその前後にフロント側およびリヤ側のシリンダが形成
され、それぞれの内方にロータ４が配置されている。上
記ロータ４は、偏心軸５に支承され、頂部がロータハウ
ジング１の内周面に摺接し、シリンダ内に３つの作動室
６を隔成している。このロータ４の偏心回転に伴い、各
作動室６が容積変化し、オットーサイクルを行う。そし
て、ロータ４の回転によって偏心軸５が回転駆動され
る。

【００１４】上記インタミディエイトハウジング３に
は、空気を供給する吸気ポート７が、吸気行程の作動室
に臨む位置に設けられている。この吸気ポート７には吸
気通路１１を介して空気が供給され、この吸気通路１１
には、ステップモータ１３によって作動されるスロット
ル弁１２が設けられるとともに、図外のエアクリーナ、
吸入空気量検出のためのエアフローメータ等が配設され
ている。また、排気行程の作動室に臨むロータハウジン
グ１には排気ポート１４が形成され、この排気ポート１
４に排気通路１５が接続され、この排気通路１５には図
外のＯ2 センサ、触媒等が配設されている。

【００１５】また、加圧された気体燃料をシリンダ内に
供給する気体燃料供給手段が設けられている。当実施例
においてこの気体燃料供給手段は、上記吸気ポート７と
は別個に作動室６内に開口する水素ポート（気体燃料供
給ポート）８を有し、この水素ポート８は、上記インタ
ミディエイトハウジング３に、吸気ポート７とは干渉し
ないように配置されている。この水素ポート８に水素ガ
スを供給する手段は、メタルハイドライドタンク（以下
ＭＨタンクという）２０からの水素ガスをエンジン側に
導く燃料通路２１を備えている。上記ＭＨタンク２０
は、その内部に水素を吸蔵、放出することのできる水素
吸蔵合金を備え、このＭＨタンク２０に対し、水素充填
用の通路、冷却水通路および加熱水通路（図示省略）が
配設され、エンジンウォータジャケットから供給される
冷却水でＭＨタンク２０の水素吸蔵合金が加熱されるこ
とにより、水素が燃料通路２１に放出されるようになっ
ている。

【００１６】上記燃料通路２１には、圧力調整器２２、
流量調整弁２３およびタイミングバルブ２４が配設され
ており、タイミングバルブ２４の下流側が、水素ポート
８に通じる通路構成部材２５に接続されている。上記圧
力調整器２２は、ＭＨタンク２０から供給される水素ガ
スを適度の圧力に調圧し、例えば略５気圧（３〜７気
圧）に調圧するようになっている。また、上記流量調整
弁２３は、デューティソレノイドバルブまたは比例ソレ
ノイドバルブ等を用いて、燃料通路２２，２３中の水素
ガスの流量を無段階に制御することができるようになっ
ている。

【００１７】また、上記タイミングバルブ２４は、エン
ジンの作動と同期して所定タイミングで燃料供給を行う
ようにするもので、当実施例では、図２に詳しく示すよ
うに、ポペット弁３１を有し、タイミングバルブ駆動用
カムシャフト３２に設けられたカム３３により開閉作動
される。このカムシャフト３２は、ハウジングに回転可
能に支承されるとともに、その一端側に具備されたプー
リ３４がタイミングベルト３５を介して偏心軸５に連繋
されることにより、偏心軸５と同期回転するようになっ
ている。タイミングバルブ２４の下流の通路構成部材２
５は、インタミディエイトハウジング３に装着され、そ
の内部の通路３６の上流端側がタイミングバルブ２４に
続く通路に連通するとともに、下流端側が上記水素ポー
ト８に連通している。

【００１８】さらに上記燃料通路２１には、燃料の流通
を遮断可能とする遮断弁４０が設けられている。また、
吸気通路１１中には、空気流通状態を検知する検知手段
として、ベンチュリ部４１が設けられている。このベン
チュリ部４１により、吸気通路１１の空気流通量に応じ
た負圧が取り出されるようになっている。

【００１９】上記ベンチュリ部４１から取り出される負
圧に応じて上記遮断弁４０を作動する作動手段として、
ダイヤフラム装置からなる圧力応動式のアクチュエータ
４２が設けられている。このアクチュエータ４２は、そ
のダイヤフラム４３がロッドを介して上記遮断弁４０に
連結されるとともに、ダイヤフラム４３の片側の負圧室
４４が上記ベンチュリ部４１に通じる負圧導入通路４５
に接続され、かつ、上記遮断弁４０を閉弁方向に付勢す
るスプリング４６を備えている。そして、ベンチュリ部
４１の負圧が所定値よりも大きければ遮断弁４０を開
き、ベンチュリ部４１の負圧が所定値以下（吸気通路１
１の空気流通量が所定値以下）となったときに上記スプ
リング４６の力で遮断弁４０を閉じるようになってい
る。

【００２０】なお、５０はコントロールユニット（ＥＣ
Ｕ）であり、燃料通路２１中の流量調整弁２３の制御等
を行うようになっている。このＥＣＵ５０には、エンジ
ン回転数を検出する回転数センサ５１からの検出信号、
アクセル開度（アクセルペダル踏み込み量）を検出する
アクセル開度センサ５２からの検出信号、圧力調整器２
２より下流の燃料通路２１の圧力を検出する圧力センサ
５３からの信号等が入力されている。そしてＥＣＵ５０
は、エンジン負荷およびエンジン回転数等に応じて上記
流量調整弁２３を制御することにより、作動室に対する
水素ガスの供給量を制御する。エンジンキーオフのとき
は上記流量調整弁２３を全閉とする。

【００２１】なお、図例では、アクセル開度等に応じて
スロットル弁１２の開度を電気的にコントロールするた
め、スロットル弁１２のアクチュエータ１３にも制御信
号が出力されている。

【００２２】図３は、吸気ポート７、水素ポート８およ
びタイミングバルブ２４の各開閉タイミングの具体例を
示している。吸気ポート７は、ロータ４の回転により開
閉されて、上死点付近から下死点後の所定時期にまでに
わたる期間に開かれる（符号ＩＰを付して示す）よう
に、その配置および形状が設定されている。また、水素
ポート８もロータ４の回転によって開閉されるが、吸気
ポート７の開時期よりもやや遅れて開かれた後、吸気ポ
ート７の閉時期よりもかなり遅い圧縮行程途中で閉じら
れる（符号ＨＰを付して示す）ように、その配置および
形状が設定されている。また、タイミングバルブ２４
は、水素ポート８の開期間中の一部の期間に開かれ、上
記吸気ポート７の閉時期とこのタイミングバルブ２４の
開時期が対応するように、タイミングが設定されている
（符号ＴＶを付して示す）。このタイミングバルブ２４
が開かれている期間が、水素ガスの供給期間となる。

【００２３】この実施例の装置によると、エンジンの通
常運転中には、ベンチュリ部４１の負圧が所定値以上に
大きく、その負圧が上記遮断弁４０のアクチュエータ４
２に作用することにより、上記遮断弁４０が開状態に保
たれる。そして、運転状態に応じて上記流量調整弁２３
が制御されることにより、燃料通路２１中の水素ガス流
量が制御されつつ、タイミングバルブ２４を介して所定
時期に作動室６へ水素ガスが供給される。

【００２４】この場合、図３に示すように、吸気ポート
７が閉じて空気の吸入が終了した時点から、タイミング
バルブ２４が開かれて水素ガスの供給が開始されるよう
にタイミングを設定しておけば、空気の吸入および水素
ガスの供給が適切に行われる。つまり、空気吸入行程中
に容積率の大きい水素ガスが吸入されると空気の流入が
阻害され易くなるとともに、吸気通路側への水素ガスの
流出によるバックファイアが生じる懸念があるが、上記
設定とすればこのような弊害が除去され、空気の体積効
率が高められるとともに、バックファイアが防止され
る。また、気体燃料エンジンとして当実施例のようにロ
ータリピストンエンジンを採用すると、レシプロエンジ
ンと比べて吸気行程および圧縮行程の期間が長いため
に、空気吸入期間を充分にとり、かつ吸入終了後に水素
ガス供給を行うようにしながら、水素ガス供給期間を充
分に確保することができる。さらにロータリピストンエ
ンジンによると、点火プラグから離れた位置に水素ポー
ト８を配置することができるので、この水素ポート８付
近の温度を低く保つことができて過早着火の防止にも有
利となる。

【００２５】また、エンジン回転数が極端に低くなって
吸気通路１１中の空気流通量が正常運転中と比べて低い
値である所定値以下になると、ベンチュリ部４１の負圧
が小さくなることにより、上記遮断弁４０が閉弁され
る。これにより、例えば、エンジン始動時に始動不良や
エンスト等によって不正常なエンジンの低回転状態が生
じているときにも、排気通路１５でのアフタバーンや、
吸気通路１１でのバックファイアを防止することができ
る。

【００２６】つまり、エンジンキーオフとされると上記
流量調整弁２３が全閉となるが、始動時にスタータへの
供給電圧が不充分なためにエンジン回転数が立ち上がら
ない状態や、エンスト時のエンジン停止直前の状態のよ
うに、キーオンとなっていてエンジン回転数が著しく低
い状態にある場合には、上記流量調整弁２３は閉じず、
かつ、空気吸入量が極端に少なくなる。このよう状況下
では、燃料供給を行っても作動室６内で正常に燃焼され
難く、特に圧縮行程初期に比較的高い圧力を持って燃料
供給を行うと、コントロール誤差等で混合気がオーバリ
ツチとなり易い。このように場合に、吸気通路１１中の
空気流通量に応じて作動する上記遮断弁４０が閉状態と
なることにより、確実に水素ガスの供給が停止され、作
動室６に水素ガスが流れ込んでオーバリッチ状態となる
という事態が防止されることにより、上記アフタバー
ン、バックファイアが防止される。

【００２７】上記遮断弁４０が燃料通路２１における流
量調整弁２３よりも下流に設けられていれば、流量調整
弁２３より下流側の燃料通路２１内に残存する水素ガス
が作動室６に流れ込むことも抑制される。

【００２８】また、当実施例では、空気流通状態の検知
信号としてのベンチュリ負圧そのものを駆動源とするア
クチュエータ４２を用い、上記遮断弁４０の開閉作動を
機械的にコントロールしているので、電気系統の故障時
にもこの遮断弁４０の駆動系統の作動に支障をきたすこ
とはない。

【００２９】なお、気体燃料の供給系統の構成は上記実
施例に限定されず、例えば吸気行程中に水素ガスなどを
シリンダ内に加圧供給し、あるいは吸気通路に加圧供給
するようなものにも、本発明を適用することができる。
気体燃料は水素ガスに限らず、水素とメタンとを混合さ
せた都市ガス等であってもよい。

【００３０】また、本発明はロータリピストンエンジン
に限らず、レシプロエンジンにも適用することができ
る。

【００３１】

【発明の効果】本発明によると、加圧された気体燃料を
導く燃料通路中に遮断弁を設けるとともに、吸気通路の
空気流通量が所定値以下のときに上記遮断弁を閉作動す
る遮断弁作動手段を設けているため、エンジンの始動不
良時やエンスト時におけるエンジン直前等に空気流通量
が極端に少ない状態になった場合、シリンダに対する不
必要な気体燃料の供給が確実に停止される。このため、
不適正な気体燃料の供給に起因する排気系でのアフタバ
ーン、吸気系でのバックファイアを防止することができ
る。

【００３２】さらに、吸気通路の空気流量に応じた負圧
を発生するベンチュリ部とこのベンチュリ部からの圧力
を受ける圧力応動式アクチュエータにより、上記遮断弁
のコントロールを機械的に行うようにしておけば、電気
系統の故障時等にもこの遮断 弁の作動に支障をきたすこ
とがなく、信頼性を確保することができる。

【００３３】とくに、気体燃料供給手段が吸気ポートと
は別個の気体燃料供給ポートから空気吸入終了後に気体
燃料をシリンダ内に供給するようになっていると、通常
運転中は空気の吸入を妨げることなく気体燃料を供給す
ることができるようにしつつ、比較的高圧で気体燃料が
供給されることとの関係で、上記のような空気流通量が
極端に少ない場合に気体燃料が供給されると混合気がオ
ーバリッチとなって上記アフタバーン等が生じ易いとい
う問題を、解消することができる。

【００３４】また、燃料通路中の流量調整弁より下流に
上記遮断弁を配置しとおくと、空気流通量が所定値以下
となったときに、流量調整弁より下流側の燃料通路内に
残存する水素ガスが作動室に流れ込むことも抑制し、よ
り確実にアフタバーン等を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による気体燃料エンジンの全
体構造説明図である。

【図２】要部の一部断面拡大図である。

【図３】吸気ポート、水素ポートおよびタイミングバル
ブの各開閉タイミングの一例を示す図である。

【図４】本発明の別の実施例による気体燃料エンジンの
全体構造説明図である。

【図５】図４の実施例におけるＥＣＵによる盛業のフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

７ 吸気ポート ８ 水素ポート １１ 吸気通路 ２１ 燃料通路 ２３ 流量調整弁 ４０ 遮断弁 ４１ ベンチュリ部 ４２ アクチュエータ ５０ ＥＣＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高野 栄二 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭51−124707（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−71421（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−171258（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−85359（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−32058（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 19/02 F02M 21/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加圧された気体燃料をシリンダに供給す
   る気体燃料供給手段を備えた気体燃料エンジンにおいて
   気体燃料を導く燃料通路とシリンダ内に空気を供給する
   吸気通路とを別個に形成し、 上記 燃料通路中において燃料の流通を遮断可能とする遮
   断弁と、 吸気通路中において空気流通量に応じた負圧を発生する
   ベンチュリ部とを設けるとともに、 上記吸気通路の空気流通量が所定量以下のときに上記遮
   断弁を閉作動するように上記ベンチュリ部からの負圧の
   変化に応動して機械的に遮断弁を開閉作動する圧力応動
   式アクチュエーターからなる遮断弁作動手段を設けたこ
   とを特徴とする気体燃料エンジン。