(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室が形成されるシリンダ内に水素が導入される水素エンジンにおいて、
吸気の流量を検出する吸気流量検出手段と、
吸気の酸素・水蒸気濃度を検出する酸素・水蒸気濃度検出手段と、
水素燃料の流量を導出する燃料流量導出手段と、
燃焼室内の燃焼ガスの圧力を導出する圧力導出手段と、
燃焼室のシリンダ内壁の温度を導出するシリンダ温度導出手段と、
シリンダ内壁の温度を制御する内壁温度制御手段と、
吸気流量検出手段及び酸素・水蒸気濃度検出手段及び燃料流量導出手段及び圧力導出手段の情報及び圧縮比が入力され燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度を導出する飽和温度演算手段と、
シリンダ温度導出手段で導出されたシリンダ内壁の温度及び飽和温度演算手段で演算された飽和温度を比較しシリンダ内壁の温度を演算された飽和温度よりも高くするように内壁温度制御手段に制御指令を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とする水素エンジン。
【請求項２】
請求項１において、圧力導出手段は、吸気圧力を検出する吸気圧検出手段と、飽和温度演算手段での、吸気圧検出手段の情報を含めて燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度を導出する機能とからなることを特徴とする水素エンジン。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２において、燃焼室には燃料である水素が直接噴射され、燃料流量導出手段は燃料流量を検出する手段であることを特徴とする水素エンジン。
【請求項４】
請求項１もしくは請求項２において、燃焼室には燃料と空気の混合気が導入され、燃料流量導出手段は、混合気中の燃料割合を検出する手段と、飽和温度演算手段での、燃料割合の情報を含めて燃料流量を導出する機能とからなることを特徴とする水素エンジン。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、内壁温度制御手段は、冷却水流量を制御する手段であることを特徴とする水素エンジン。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、内壁温度制御手段は、冷却水温度を制御する手段であることを特徴とする水素エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を燃料とした水素エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガス性能の向上等のために、ガソリンや軽油を燃料としたエンジンに代えて、水素を燃料とした水素エンジンが開発されてきている。水素エンジンの燃焼ガスには、例えば、15% から20% 程度水蒸気が含まれている。エンジンの燃焼室を構成するシリンダ内にはピストンが高速で往復摺動しているため、摺動部等が高温に過熱されて焼付き損傷等が生じないように、シリンダは冷却水等により冷却されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水素エンジンでは、燃焼ガスに水蒸気が含まれているため、シリンダの温度が水蒸気の飽和温度よりも低くなると、水蒸気が凝縮してしまう。従来の水素エンジンでは、水蒸気の凝縮を踏まえてのシリンダの冷却は行われていないのが現状であるため、シリンダの温度が水蒸気の飽和温度よりも低くなって水蒸気が凝縮する虞があった。因みに、水蒸気が凝縮して凝縮水がシリンダの内壁に付着すると、熱損失が大きくなってエンジン性能が悪化すると共に、ピストンとシリンダの摺動部（シリンダライナとピストンリング）の油膜が破断して焼付きが生じる虞がある。
【０００４】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃焼室を形成するシリンダ内で水蒸気が凝縮することがない水素エンジンを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の水素エンジンは、燃焼室が形成されるシリンダ内に水素燃料が導入される水素エンジンにおいて、吸気の流量を検出する吸気流量検出手段と、吸気の酸素・水蒸気濃度を検出する酸素・水蒸気濃度検出手段と、水素燃料の流量を導出する燃料流量導出手段と、燃焼室内の燃焼ガスの圧力を導出する圧力導出手段と、燃焼室のシリンダ内壁の温度を導出するシリンダ温度導出手段と、シリンダ内壁の温度を制御する内壁温度制御手段と、吸気流量検出手段及び酸素・水蒸気濃度検出手段及び燃料流量導出手段及び圧力導出手段の情報及び圧縮比が入力され燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度を導出する飽和温度演算手段と、シリンダ温度導出手段で導出されたシリンダ内壁の温度及び飽和温度演算手段で演算された飽和温度を比較しシリンダ内壁の温度を演算された飽和温度よりも高くするように内壁温度制御手段に制御指令を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
そして、圧力導出手段は、吸気圧力を検出する吸気圧検出手段と、飽和温度演算手段での、吸気圧検出手段の情報を含めて燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度を導出する機能とからなることを特徴とする。また、燃焼室には燃料である水素が直接噴射され、燃料流量導出手段は燃料流量を検出する手段であることを特徴とする。また、燃焼室には燃料と空気の混合気が導入され、燃料流量導出手段は、混合気中の燃料割合を検出する手段と、飽和温度演算手段での、燃料割合の情報を含めて燃料流量を導出する機能とからなることを特徴とする。また、内壁温度制御手段は、冷却水流量を制御する手段であることを特徴とする。また、内壁温度制御手段は、冷却水温度を制御する手段であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の第１実施形態例に係る水素エンジンの概略構成、図２には制御装置のブロック構成、図３には温度制御のフローチャート、図４には水蒸気の飽和状況の一例を表すマップを示してある。
【０００９】
図１に示すように、水素エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に、例えば、電磁開閉式の燃料噴射弁３が取り付けられ、燃料噴射弁３の噴射口が燃焼室４内に開口している。燃料噴射弁３には燃料供給装置５から燃料として水素が供給され、燃料噴射弁３から噴射される水素が燃焼室４内に直接噴射されるようになっている。水素エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７はクランクシャフト８の回転によりコンロッド９を介して往復動する。
【００１０】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に吸気ポート１０が形成され、吸気ポート１０に連通して吸気マニホールド１１の一端が接続されている。吸気ポート１０は図示しないカムシャフトを介して動作する吸気弁１２により開閉され、燃焼室４内に吸気マニホールド１１からの吸気が導入される。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に排気ポート１３が形成され、排気ポート１３に連通して排気マニホールド１４の一端がそれぞれ接続されている。排気ポート１３は図示しないカムシャフトを介して動作する排気弁１５により開閉され、燃焼室４からの排気ガスが排気マニホールド１４に排出される。
【００１１】
シリンダ６の外周部にはウォータジャケット１６が形成され、ウォータジャケット１６には冷却水供給装置１７からの冷却水が流量制御されて循環して供給される。ウォータジャケット１６への冷却水の供給により、シリンダ６（シリンダライナ）が所定の温度に維持される。つまり、ウォータジャケット１６及び冷却水供給装置１７によりシリンダ６の内壁の温度を制御する内壁温度制御手段が構成されている。冷却水の流量制御によりシリンダ６の内壁の温度を制御するようにしているので、簡単な構成で応答性よくシリンダ６の内壁の温度を制御することができる。シリンダ６の近傍には冷却水温を検出する水温センサ１８が設けられている。また、シリンダ６にはシリンダ６の内壁（シリンダライナ）の温度を検出するシリンダ温度導出手段としての温度センサ１９が備えられている。
【００１２】
一方、燃料供給装置５から燃料噴射弁３に至る流路２１には水素燃料の流量を検出する燃料流量導出手段としての燃料流量検出手段２２が備えられている。また、吸気マニホールド１１には、吸気の流量を検出する吸気流量検出手段２３、吸気の酸素・水蒸気濃度を検出する酸素・水蒸気濃度検出手段２４及び吸気の圧力を検出する吸気圧力検出手段２５が設けられている。
【００１３】
水素エンジン１を動力とする、例えば、車両には制御装置３１が設けられており、制御装置３１には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。制御装置３１によって水素エンジン１の総合的な制御が実施される。
【００１４】
一方、前述した、水温センサ１８、温度センサ１９、燃料流量検出手段２２、吸気流量検出手段２３、酸素・水蒸気濃度検出手段２４及び吸気圧力検出手段２５の検出情報が圧縮比の情報と共に制御装置３１に入力され、制御装置３１は各種センサ類の検出情報及び圧縮比の情報に基づいて、シリンダ６の内壁の温度を燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度よりも高くするように、冷却水供給装置１７の冷却水流量を制御する。
【００１５】
つまり、図２に示すように、制御装置３１には、燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度を演算する飽和温度演算手段３２が備えられ、飽和温度演算手段３２には燃料流量検出手段２２、吸気流量検出手段２３、酸素・水蒸気濃度検出手段２４、吸気圧力検出手段２５の検出情報及び圧縮比の情報が入力される。飽和温度演算手段３２では、これらの情報に基づいて水素エンジン１における燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度が導出される。
【００１６】
即ち、燃焼ガスの圧力を導出する圧力導出手段は、吸気圧力検出手段２５と、飽和温度演算手段３２での吸気圧力検出手段２５の情報を含めて燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度を導出する機能とで構成されている。尚、吸気圧力検出手段２５に代えてシリンダ６内の圧力を検出する検出手段を設け、この検出手段の情報を飽和温度演算手段３２に入力して飽和温度を導出することも可能である。
【００１７】
一方、制御装置３１には比較判定手段３３が備えられ、比較判定手段３３にはシリンダ６の内壁（シリンダライナ）の温度情報として水温センサ１８及び温度センサ１９の検出情報が入力されて内壁温度（ライナ温度Ｔ）が求められる。尚、水温センサ１８もしくは温度センサ１９の検出情報の一方からライナ温度Ｔを導出して求めることも可能である。
【００１８】
飽和温度演算手段３２で導出された飽和温度ｔは比較判定手段３３に入力され、比較判定手段３３では飽和温度ｔとライナ温度Ｔが比較される。比較の結果は流量指令手段３４に入力され、流量指令手段３４は、ライナ温度Ｔが飽和温度ｔよりも高くなるように冷却水供給装置１７に冷却水流量の制御指令を出力する（出力手段）。尚、冷却水供給装置１７に冷却水の温度を制御する手段を設け、冷却水温度を調整することでライナ温度Ｔが飽和温度ｔよりも高くなるように制御することも可能である。冷却水の温度制御によりライナ温度Ｔを飽和温度ｔよりも高くすることで、より応答性よくシリンダ６の内壁の温度を制御することができる。
【００１９】
上記構成の水素エンジン１でライナ温度Ｔが飽和温度ｔよりも高くなるように制御する運転方法を図３、図４に基づいて説明する。
【００２０】
図３に示すように、制御がスタートすると、ステップＳ１で圧縮比が飽和温度演算手段３２に読み込まれ、ステップＳ２で燃料流量検出手段２２、吸気流量検出手段２３、酸素・水蒸気濃度検出手段２４、吸気圧力検出手段２５の検出情報が飽和温度演算手段３２に読み込まれる。そして、ステップＳ３で燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度ｔが導出される。
【００２１】
例えば、水素燃焼ガス中における水蒸気の割合は、１５％から２０％程度であり、水素エンジン１のシリンダ６内の最高圧力が、例えば、１５Mpa とされた場合、水蒸気分圧は2.25Mpa から3.00Mpa となる。飽和温度演算手段３２には、例えば、図４に示したマップが記憶され、このマップに基づき水蒸気分圧が2.25Mpa から3.00Mpa のときの飽和温度ｔ（t1からt2の間、例えば、200 ℃〜230 ℃程度) が導出される。尚、飽和温度ｔの導出は、図４に示したマップによらず、演算で求めることも可能である。
【００２２】
同時に、ステップＳ４でライナ温度Ｔが比較判定手段３３に読み込まれる。ステップＳ３で導出された飽和温度ｔが比較判定手段３３に入力され、ステップＳ５でライナ温度Ｔが飽和温度ｔ以下であるか否かが判断される。ステップＳ５でライナ温度Ｔが飽和温度ｔ以下であると判断された場合、水素燃焼ガス中における水蒸気が凝縮してシリンダ６の内壁（シリンダライナ）に付着する虞があるため、ステップＳ６で冷却水流量を減少させる指令を出力する。冷却水流量を減少させることにより、シリンダ６の内壁（シリンダライナ）の温度が上昇し、ライナ温度Ｔが飽和温度ｔを越える温度となる。これにより、水素燃焼ガス中における水蒸気の凝縮が防止され、凝縮水がシリンダ６の内壁（シリンダライナ）に付着する虞がなくなる。
【００２３】
ステップＳ５でライナ温度Ｔが飽和温度ｔを越えていると判断された場合、ステップＳ１及びステップＳ４に移行してセンサ類の検出情報の読み込みを繰り返す。
【００２４】
上述した水素エンジン１では、燃焼ガスの水蒸気分圧に対する飽和温度ｔを求め、ライナ温度Ｔが飽和温度ｔよりも高くなるように冷却水流量を調整してシリンダ６の内壁（シリンダライナ）の温度を制御しているので、水素燃焼ガス中における水蒸気の凝縮が防止され、凝縮水がシリンダ６の内壁（シリンダライナ）に付着することがない。この結果、熱損失が大きくなって水素エンジン１の性能が悪化すると共に、ピストン７とシリンダ６の摺動部（シリンダライナとピストンリング）の油膜が破断して焼付きが生じる虞がなくなる。
【００２５】
図５に基づいて第２実施形態例に係る水素エンジン４１を説明する。図５には本発明の第２実施形態例に係る水素エンジンの概略構成を示してある。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００２６】
図示の水素エンジン４１は、吸気マニホールド１１に燃料噴射弁３が設けられ、空気と水素燃料を混合した混合気を燃焼室４内に導入するようになっている。吸気マニホールド１１には混合気の流量を検出する吸気流量検出手段２３、混合気の酸素・水蒸気濃度を検出する酸素・水蒸気濃度検出手段２４及び混合気の圧力を検出する吸気圧力検出手段２５が設けられている。そして、第１実施形態例の燃料流量検出手段２２に代えて、混合気の燃料割合を検出する燃料割合検出手段４２が吸気マニホールド１１に設けられている。
【００２７】
吸気流量検出手段２３、酸素・水蒸気濃度検出手段２４、吸気圧力検出手段２５及び燃料割合検出手段４２の検出情報が制御装置３１に入力され、制御装置３１で燃焼ガスの水蒸気分圧に対する飽和温度ｔが求められる。そして、ライナ温度Ｔが飽和温度ｔよりも高くなるように制御装置３１から冷却水供給装置１７に冷却水流量を調整する指令が出力され、シリンダ６の内壁（シリンダライナ）の温度が飽和温度ｔよりも高くなるように制御される。
【００２８】
従って、第１実施形態例における水素エンジン１と同様に、水素燃焼ガス中における水蒸気の凝縮が防止され、凝縮水がシリンダ６の内壁（シリンダライナ）に付着することがなく、熱損失が大きくなって水素エンジン１の性能が悪化すると共に、ピストン７とシリンダ６の摺動部（シリンダライナとピストンリング）の油膜が破断して焼付きが生じる虞がなくなる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の水素エンジンは、燃焼室が形成されるシリンダ内に水素が導入される水素エンジンにおいて、吸気の流量を検出する吸気流量検出手段と、吸気の酸素・水蒸気濃度を検出する酸素・水蒸気濃度検出手段と、水素燃料の流量を導出する燃料流量導出手段と、燃焼室内の燃焼ガスの圧力を導出する圧力導出手段と、燃焼室のシリンダ内壁の温度を導出するシリンダ温度導出手段と、シリンダ内壁の温度を制御する内壁温度制御手段と、吸気流量検出手段及び酸素・水蒸気濃度検出手段及び燃料流量導出手段及び圧力導出手段の情報及び圧縮比が入力され燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度を導出する飽和温度演算手段と、シリンダ温度導出手段で導出されたシリンダ内壁の温度及び飽和温度演算手段で演算された飽和温度を比較しシリンダ内壁の温度を演算された飽和温度よりも高くするように内壁温度制御手段に制御指令を出力する出力手段とを備えたので、シリンダ内壁の温度が燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度よりも高くされる。この結果、水素燃焼ガス中における水蒸気の凝縮が防止され、凝縮水がシリンダ内壁に付着することがなく、熱損失が大きくなって水素エンジンの性能が悪化すると共に、ピストンとシリンダの摺動部の油膜が破断して焼付きが生じる虞がなくなり、性能及び信頼性の向上を図ることが可能になる。
【００３０】
そして、圧力導出手段は、吸気圧力を検出する吸気圧検出手段と、飽和温度演算手段での、吸気圧検出手段の情報を含めて燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度を導出する機能とからなるので、簡単な検出手段により燃焼ガス中の水蒸気分圧に対する飽和温度を導出することができる。また、内壁温度制御手段は、冷却水流量を制御する手段であるので、簡単な構成で応答性良くシリンダ内壁の温度を制御することができる。また、内壁温度制御手段は、冷却水温度を制御する手段であるので、より応答性良くシリンダ内壁の温度を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る水素エンジンの概略構成図。
【図２】制御装置のブロック構成図。
【図３】温度制御のフローチャート。
【図４】水蒸気の飽和状況の一例を表すマップ。
【図５】本発明の第２実施形態例に係る水素エンジンの概略構成図。
【符号の説明】
１，４１  水素エンジン
２  シリンダヘッド
３  燃料噴射弁
４  燃焼室
５  燃料供給装置
６  シリンダ
７  ピストン
８  クランクシャフト
９  コンロッド
１０  吸気ポート
１１  吸気マニホールド
１２  吸気弁
１３  排気ポート
１４  排気間にホールド
１５  排気弁
１６  ウォータジャケット
１７  冷却水供給装置
１８  水温センサ
１９  温度センサ
２１  流路
２２  燃焼流量検出手段
２３  吸気流量検出手段
２４  酸素・水蒸気濃度検出手段
２５  吸気圧力検出手段
３１  制御装置
３２  飽和温度演算手段
３３  比較判定手段
３４  流量指令手段
４２  燃料割合検出手段
【図１】
0004256602.tif 000002
【図２】
0004256602.tif 000003
【図３】
0004256602.tif 000004
【図４】
0004256602.tif 000005
【図５】
0004256602.tif 000006