(57)【要約】【課題】この発明は、６サイクルエンジンにおいて、水素を直接燃焼室に噴射するエンジンにおいて、従来希薄混合気燃焼時に特に困難であった均一な混合気の生成を可能とし、希薄混合気の安定した燃焼を維持してＮＯｘの低減効果を得ることを目的とする。【解決手段】この発明は、エンジンの動作サイクルが、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、冷却吸気行程、冷却排気行程からなる６サイクルエンジンにおいて、エンジン負荷量に応じて、水素を直接燃焼室に噴射するように燃料噴射手段を制御する噴射制御手段を備え、前記噴射制御手段は、吸気行程で実施される少量の噴射量によるプレ噴射と、圧縮行程で実施されるメイン噴射とから構成される噴射を行うように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの動作サイクルが、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、冷却吸気行程、冷却排気行程からなる６サイクルエンジンにおいて、
エンジン負荷量に応じて、水素を直接燃焼室に噴射するように燃料噴射手段を制御する噴射制御手段を備え、
前記噴射制御手段は、吸気行程で実施される少量の噴射量によるプレ噴射と、圧縮行程で実施されるメイン噴射とから構成される噴射を行うように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする６サイクルエンジン。
【請求項２】
前記６サイクルエンジンは、エンジン負荷量に応じて、水素を噴射する前記燃料噴射手段を備え、
前記噴射制御手段は、希薄燃焼にて、少なくとも一部の負荷領域が運転されるように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の６サイクルエンジン。
【請求項３】
前記６サイクルエンジンは、排気ガスを再循環する排気ガス再循環手段を備え、
前記排気行程時、及び前記冷却排気行程時に排出される排気ガスを再循環するように前記排気ガス再循環手段を制御する排気ガス再循環制御手段を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の６サイクルエンジン。
【請求項４】
前記６サイクルエンジンは、前記排気ガス、あるいはエンジンの出力トルクにより駆動する過給機を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の６サイクルエンジン。
【請求項５】
前記６サイクルエンジンは、前記排気行程における排気弁の閉止時期を早くするように前記排気弁の開度を制御する排気弁制御手段を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の６サイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は６サイクルエンジンに係り、特に、燃料を直接燃焼室に噴射するレシプロエンジンの燃料に水素を用い、最適な運転を可能とする６サイクルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の動力源であるエンジンには、燃料としてガソリンや軽油以外に、水素を燃料とするものがある。水素を燃料とするエンジンには、低出力運転時には水素と空気を予め混合して生成した予混合気を点火栓により着火燃焼させて出力を得て、高出力運転時には既に着火した予混合気中に水素を噴射して予混合気を火種として着火燃焼させて出力を得るものがある。
【特許文献１】特開平７−１３３７３１号公報
【０００３】
また、水素を燃料とし、予混合気を吸気するエンジンでは、負荷が高くなると、燃焼室内の温度が上がって過早着火が起こりやすくなり、吸気行程中に吸気管側へ逆火するバックファイヤを起こす問題がある。そのため、水素を燃料とするエンジンには、吸気、圧縮、燃焼、排気行程の４サイクルに、冷却吸気行程、冷却排気行程からなる２サイクルを加えて、動作サイクルを６サイクルとしたエンジンがある。
【特許文献２】特開平４−３２５７２３号公報
【特許文献３】特開平６−２５５８号公報
【特許文献４】特許第２９１８４０３号公報
【０００４】
さらに、水素を燃料とする６サイクルエンジンには、動作サイクルを６サイクルとしながら、吸気管側に水素が残らないように、水素を燃焼室内に直接噴射することでバックファイヤを防止するものがある。
【特許文献５】特開２０００−１７０５５９号公報
【特許文献６】特開２００１−３３６４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の水素を燃料とするエンジンにおいては、バックファイヤを防止するために、前記特許文献５及び６のように、水素を燃焼室へ直接噴射するエンジンが研究されている。
ところが、水素を燃焼室へ直接噴射するエンジンは、吸気弁閉止後の噴射になり、空気との混合状態が必ずしも良好でなく、燃焼室内において均一な混合気を得ることができない問題がある。
そのため、水素を燃焼室へ直接噴射するエンジンは、燃焼成生物のＮＯｘ低減のためのリーンバーン（希薄混合気燃焼）が不確実な燃焼となり、安定した燃焼維持および充分なＮＯｘ低減効果が得られるリーンバーンの実現が困難な問題がある。
【０００６】
この発明は、６サイクルエンジンにおいて、水素を直接燃焼室に噴射するエンジンにおいて、従来希薄混合気燃焼時に特に困難であった均一な混合気の生成を可能とし、希薄混合気の安定した燃焼を維持してＮＯｘの低減効果を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、エンジンの動作サイクルが、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、冷却吸気行程、冷却排気行程からなる６サイクルエンジンにおいて、エンジン負荷量に応じて、水素を直接燃焼室に噴射するように燃料噴射手段を制御する噴射制御手段を備え、前記噴射制御手段は、吸気行程で実施される少量の噴射量によるプレ噴射と、圧縮行程で実施されるメイン噴射とから構成される噴射を行うように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の６サイクルエンジンは、水素を直接燃焼室に噴射するエンジンにおいて、従来希薄混合気燃焼時に特に困難であった均一な混合気の生成が可能となり、希薄混合気の安定した燃焼を維持してＮＯｘの低減効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。
【実施例】
【００１０】
図１〜図５は、この発明の実施例を示すものである。図１は６サイクルエンジンのシステム構成図、図２は直接噴射のサイクル図、図３はバルブタイミング及び噴射タイミングを示す図、図４はエンジン負荷及びエンジン回転数により設定した負荷量域の空気過剰率を示す図、図５はバルブタイミングの変形例を示す図である。
図１において、１は６サイクルエンジン、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５はコネクティングロッド、６はクランク軸、７は燃焼室である。６サイクルエンジン１は、シリンダヘッド３に燃焼室７に連通する吸気ポート８と排気ポート９とを設け、吸気ポート８と排気ポート９とを夫々開閉する吸気弁１０と排気弁１１とを設けている。シリンダヘッド３には、吸気管１２を接続して吸気ポート８に吸気通路１３を連通し、排気管１４を接続して排気ポート９に排気通路１５を連通している。
６サイクルエンジン１は、シリンダヘッド３に、クランク軸６に同期して回転する吸気カム軸１６と排気カム軸１７とを軸支している。吸気カム軸１６は、吸気カム１８により吸気弁１０を開閉駆動する。排気カム軸１７は、排気カム１９により排気弁１１を開閉駆動する。吸気カム軸１６は、吸気弁可変動弁機構２０を備えている。吸気弁可変動弁機構２０は、クランク軸６に対する吸気カム軸１６の位相を変化させて、吸気弁１０の開閉時期を変更する。排気カム軸１７は、排気弁可変動弁機構２１を備えている。排気弁可変動弁機構２１は、クランク軸６に対する排気カム軸１７の位相を変化させて、排気弁１１の開閉時期を変更する
【００１１】
この６サイクルエンジン１は、シリンダヘッド３に燃料噴射手段であるインジェクタ２２を設けている。インジェクタ２２は、燃料である水素を燃焼室７に直接噴射する。燃料の水素は、燃料タンクに高圧状態で貯蔵し、レギュレータ（調圧弁）で所定圧力により調整してインジェクタ２２から燃焼室７内のピストン４に向かって噴射する。６サイクルエンジン１は、シリンダヘッド３に点火手段である点火プラグ２３を取り付けている。点火プラグ２３は、イグニションコイル２４により飛び火し、燃焼室７の混合気に点火する。
また、６サイクルエンジン１は、排気ガスを再循環する排気ガス再循環手段として、排気通路１５に上流側端を開口し、下流側端を吸気通路１３に開口する排気ガス再循環通路２５を設け、この排気ガス再循環通路２５の途中に排気ガスの再循環量（ＥＧＲ量）を制御する排気ガス再循環制御弁（ＥＧＲ量制御弁）２６を設けている。さらに、６サイクルエンジン１は、過給手段として過給機２７を備えている。この過給機２７は、排気ガスにより駆動して吸気を圧送するターボチャージャ式である。
この６サイクルエンジン１は、エンジンの動作サイクルが、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、冷却吸気行程、冷却排気行程からなり、吸気行程において吸入空気を燃焼室７に吸気し、圧縮行程において水素と吸入空気との混合気を圧縮し、圧縮行程終期に点火プラグ２３により着火した混合気を燃焼行程において燃焼し、排気行程において排気ガスを排出し、冷却吸気行程において吸入空気を燃焼室７に吸気して冷却し、冷却排気行程において燃焼室７を冷却した排気ガスを排出する。
【００１２】
この６サイクルエンジン１は、制御装置２８によって運転状態を制御される。制御装置２８には、前記吸気弁可変動弁機構２０と排気弁可変動弁機構２１とインジェクタ２２とイグニションコイル２４と排気ガス再循環制御弁２６とを接続し、また、エンジン負荷量を算出するためのエンジン運転状態を示す情報（例えば、吸気圧、吸気流量、吸気温度、エンジン回転速度、アクセル開度等）を入力する運転状態情報入力手段２９を接続している。制御装置２８は、噴射制御手段３０と吸気弁制御手段３１と排気弁制御手段３２と排気ガス再循環制御手段３３とを備えている。
前記噴射制御手段３０は、エンジン負荷量に応じて、水素を直接燃焼室７に噴射するように燃料噴射手段であるインジェクタ２２を制御する。また、噴射制御手段３０は、吸気行程で実施される少量の噴射量によるプレ噴射と、圧縮行程で実施されるメイン噴射とから構成される噴射を行うように、インジェクタ２２を制御する。さらに、噴射制御手段３０は、希薄燃焼にて、少なくとも一部の負荷領域が運転されるようにインジェクタ２２を制御する。
前記吸気弁制御手段３１は、エンジン負荷量に応じて吸気弁１０の開度を吸気弁可変動弁機構２０により制御する。前記排気弁制御手段３２は、排気行程における排気弁１１の閉止時期を早くするように排気弁１１の開度を排気弁可変動弁機構２１により制御する。
排気ガス再循環制御手段３３は、排気行程時、及び冷却排気行程時に排気通路１５に排出される排気ガスを吸気通路１３に再循環するように排気ガス再循環手段の排気ガス再循環制御弁２６を制御する。
【００１３】
次に作用を説明する。
６サイクルエンジン１は、図２・図３に示すように、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、冷却吸気行程、冷却排気行程の動作サイクルを有している。６サイクルエンジン１においては、１気筒あたりの１爆発が受け持つ回転角が１０８０゜（３回転）となり、２のｎ乗気筒（ｎは自然数）の場合、爆発が同一点にならないように等間隔爆発を実現でき、バランスがよく、結果クランク軸６のバランスウェイトを小さくでき、振動も少ないなどの利点があり、効率が向上する。
この６サイクルエンジン１は、制御装置２８の吸気弁制御手段３１及び排気弁制御手段３２によりエンジン負荷量に応じて、吸気弁１０及び排気弁１１の開度を制御し、噴射制御手段３０によりエンジン負荷量に応じて、水素を直接燃焼室７に噴射するようにインジェクタ２２を制御する。
水素を直接燃焼室に噴射するのは、吸気管内への逆火すなわちバックファイヤを防止したいがためである。しかしながら、水素を直接燃焼室へ噴射するエンジンは、高負荷運転になると、燃焼室壁面にヒートポイント（通常、ヒートポイントは、燃焼生成物によるデポジットであったり、ピストンのバルブリセス加工やシリンダヘッドのバルブシート部加工のエッジ部であることが多い）があると、水素の噴射中でも着火する可能性が高い。これを過早着火（プレイグニッション）と言い、場合によってはピストンクラウンを溶損・破壊することもある。
この現象は、水素の性質によるところが大きい。水素の自発火温度は５７２℃で、いわゆるディーゼル着火はできない。しかし、０．０２ｍＪという僅かな点火エルギーでも着火するので「火種＝ヒートポイント」には注意が必要である。つまり、水素は、雰囲気温度では発火しにくいが、着火はしやすい性質がある。
以上の理由から、この６サイクルエンジンは、筒内冷却サイクルの冷却吸気行程、冷却排気行程を追加することにより、最も回避したいプレイグニッションを防止することができる。
このように、この６サイクルエンジン１は、通常の排気行程の後に、単純に空気を吸い込んでそのまま排出する冷却吸気行程、冷却排気行程を増やすことにより、燃焼室７内の温度が下がり、発火の原因となる燃焼室７内のヒートポイントが冷却行程により冷やされ、吸気行程中に燃料の水素に着火することがなくり、バックファイヤを防止することができる。
【００１４】
水素は、インジェクタ２２から直接燃焼室７に噴射され、燃焼室７内において空気と混合される。水素を直接燃焼室７に噴射する場合には、軽い水素では吸気弁１０閉止後から点火までの間に均一な混合気を生成することが、リーンになるほど困難になる。
水素を直接燃焼室へ噴射するエンジンは、燃焼室内での均一な混合気の生成（特にリーン化時）に難がある。これは、吸気弁の閉止後はスワール、タンブルの類がその効果を極端に落としてしまうからである。さらに、比重の軽い水素ガスは、いくら高圧噴射しても貫通力に乏しく、混合気生成が進みにくいからである。
このようなことから、水素を直接燃焼室に噴射する場合には、吸気弁が開いている吸気中に僅か（体積比４％未満…燃焼可能濃度４〜７５％）に水素を噴射（プレ噴射）して混入させて、吸気弁閉止後の本噴射（メイン噴射）の前にある程度の混合気を作っておくことで、燃焼室内での均一な混合気の生成に効果がある。
そこで、この６サイクルエンジン１は、噴射制御手段３０によって、図２・図３に示すように、吸気行程で実施される少量の噴射量によるプレ噴射と、圧縮行程で実施されるメイン噴射とから構成される噴射を行うように、インジェクタ２２を制御する。プレ噴射の噴射タイミングは、吸気行程における排気弁１１の閉止直後から吸気弁１０の閉止時までである。メイン噴射の噴射タイミングは、圧縮行程における吸気弁１０の閉止時から点火プラグ２３による着火前までである。
これにより、この６サイクルエンジン１は、水素を直接燃焼室７に噴射するエンジンにおいて、吸気行程においてプレ噴射により可燃範囲以下で燃焼室７の空気に小量の水素を混入させ、圧縮行程において行われるメイン噴射と合わせることで、従来希薄混合気燃焼時に特に困難であった均一な混合気の生成を可能とし、リーン化することによる混合気の不均一を最小限に止めて悪影響を抑制することができる。
【００１５】
水素を燃料とするエンジンの場合は、燃焼成生物は水と空気中の酸素と窒素が反応してできるＮＯｘ、および潤滑油が燃焼した結果の極めて僅かな（ほぼ無視できる）ＣＯ、ＣＯ２、ＨＣなどである。ＮＯｘについては、水素の燃焼状態が良ければ良いほど高濃度で発生するので、ＮＯｘ吸蔵触媒を使用する必要がある。したがって、水素を燃料とするエンジンの場合は、リーン状態で運転を可能にすれば、ＮＯｘの発生を抑制することができ、触媒レスとすることができる。
この６サイクルエンジン１は、エンジン負荷量に応じて、水素を噴射するインジェクタ２２を備え、噴射制御手段３０によって、希薄燃焼にて、少なくとも一部の負荷領域が運転されるようにインジェクタ２２を制御する。噴射制御手段３０には、図４に示すように、空気過剰率（λ）＝１．０（理論混合比）とすると、低負荷領域ではλ＝２．５〜３．０以上の超希薄混合気運転、中負荷領域ではλ＝１．５〜２．０程度の薄混合気運転、高負荷領域ではλ＝１．０または０．７程度までの濃混合気運転とする。
これにより、この６サイクルエンジン１は、有害排出成分であるＮＯｘを限りなく減少させることが可能である。この６サイクルエンジン１は、燃料を水素にすることにより、燃焼生成物は基本的に水とＮＯｘのみとなり、可燃範囲の広い（４〜７５％）水素で超希薄混合気（リーンバーン）運転をすることで、「触媒なし」が可能になるので、内燃機関にあって最高の環境対応エンジンとなる。また、この６サイクルエンジン１は、ディーゼルエンジンのスロットルレスに近い運転ができ、効率が上がる。
【００１６】
この６サイクルエンジン１は、排気ガスにより駆動する過給機２７を備え、吸入空気を過給している。自然吸気の場合、体積比での理論空燃比が小さく、そのままの比率でいけばリーン化の余裕が小さい。水素は、理論空燃比（質量比）こそ大きいが（水素の質量比：約３４．３、水素の容積比：約２．４、ガソリンの質量比：約１４．７）、ガスの容積で考えると、自然吸気では吸気系内で占有容積が増大し、結果として水素が空気を押し退けるので、充分な希薄化ができなくなる。実際の供給は、容積で扱われる訳で、必要な出力を出す熱量分の水素を供給する以上、リーン化（どころかストイキすら）が難しくなる状態が発生する。
そこで、この６サイクルエンジン１は、過給機２７で吸入空気を過給することにより、燃焼室７に流入する吸気の空気量を増やしてリーン可能範囲を広げることが可能となる。過給運転は、基本的に過給可能であれはすべての運転領域で行う。これにより、この６サイクルエンジン１は、過給機２７により空気量を増加させることができるので、リーン度合いを大きくした状態での運転、あるいはリーン状態での運転領域を拡大させることが可能である。
【００１７】
また、この６サイクルエンジン１は、排気通路１５と吸気通路１３とを連通する排気ガス再循環通路２５の途中に排気ガス再循環制御弁２６を設け、排気ガス再循環制御手段３３によって、排気行程時、及び冷却排気行程時に排気通路１５に排出される排気ガスを吸気通路１３に再循環するように排気ガス再循環制御弁２６を制御している。
排気ガス再循環制御弁２６によって再循環される水素燃料による排気ガスには、水蒸気が大量に含まれているため、燃焼室７に還流される排気ガスが多量の「水」を含み、特に、６サイクルによる冷却排気行程になると冷たい排気も出てくるので、これにより、前行程で排気された水蒸気が結露して微細な水滴となり循環される。
これにより、この６サイクルエンジン１は、多量の水分を含んだ排気ガスを還流するため、燃焼室７の温度を低減することが可能である。このため、この６サイクルエンジン１は、ＮＯｘの排出量低減に貢献できる。
【００１８】
なお、この実施例の６サイクルエンジン１は、排気ガス再循環制御手段３３によって、排気行程時、及び冷却排気行程時に排気通路１５に排出される排気ガスを吸気通路１３に再循環するように排気ガス再循環制御弁２６を制御しているが、図５に破線で示すように、排気弁制御手段３２によって、排気行程における排気弁１１の閉止時期を早くするように排気弁１１の開度を排気弁可変動弁機構２１により制御することもできる。
これにより、この６サイクルエンジン１は、排気行程において充分に排気が行われないため、次行程の冷却吸気行程において、燃焼室７に残存した排気中に含まれる燃焼で生成されたＨ２Ｏが結露して微細な水滴状態となり、燃焼室７の壁面をより効率よく冷却することができる。このため、この６サイクルエンジン１は、さらに燃焼室７の温度を下げることができ、ＮＯｘの排出量低減に貢献できる。
また、この実施例においては、吸気弁１０及び排気弁１１を吸気カム軸１６及び排気カム軸１７により駆動したが、吸気弁１０及び排気弁１１を電磁石駆動式とすることで、より効果的な開閉時期の制御を行うことができる。さらに、この実施例においては、排気ガスにより駆動されるターボチャージャ式の過給機２７を設けたが、エンジンの出力トルクにより駆動するスーパーチャージャ式の過給機とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
この発明の６サイクルエンジンは、水素を直接燃焼室に噴射するエンジンにおいて、希薄混合気燃焼が可能な均一な混合気を生成し、希薄混合気の安定した燃焼を維持してＮＯｘの低減させるものであり、燃料として水素を用いる各種のエンジンに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施例を示す６サイクルエンジンのシステム構成図である。
【図２】直接噴射のサイクルを示す図である。
【図３】バルブタイミング及び噴射タイミングを示す図である。
【図４】エンジン負荷及びエンジン回転数により設定した負荷量域の空気過剰率を示す図である。
【図５】バルブタイミングの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  ６サイクルエンジン
６  クランク軸
７  燃焼室
８  吸気ポート
９  排気ポート
１０  吸気弁
１１  排気弁
１６  吸気カム軸
１７  排気カム軸
２０  吸気弁可変動弁機構
２１  排気弁可変動弁機構
２２  インジェクタ
２５  排気ガス対循環通路
２６  排気ガス再循環制御弁
２７  過給機
２８  制御装置
２９  運転状態情報入力手段
３０  噴射制御手段
３１  吸気弁制御手段
３２  排気弁制御手段
３３  排気ガス再循環制御手段
【図１】
2008291726.tif 000003
【図２】
2008291726.tif 000004
【図３】
2008291726.tif 000005
【図４】
2008291726.tif 000006
【図５】
2008291726.tif 000007