JP7837652B2

JP7837652B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP7837652B2
Application number: JP2021197437A
Authority: JP
Inventors: 真人澤下
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2026-03-31
Anticipated expiration: 2041-12-06
Also published as: JP2023083638A

Description

本発明は、水素を含む燃料を消費して出力を発生させる原動機または燃料電池に燃料を供給する装置、またはそのような原動機である内燃機関に関する。

温室効果を有する炭酸ガスの排出量の削減が、世界的な課題として認識されている。近時、種々の動力源として利用される内燃機関の燃料に、炭素を含む化石燃料に代えて水素を用いることが試みられている。

水素は、常温常圧下では気体である。よって、水素燃料タンクには、最大で７０ＭＰａ程度の超高圧の水素が蓄えられる。この燃料タンクから吐出される水素を、圧力レギュレータを介して１０ＭＰａないし２０ＭＰａ程度の所定圧力に減圧、調圧した上で、インジェクタに供給する。そして、インジェクタから噴射した燃料を気筒において燃焼させ、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトを回転駆動する。

常温常圧下で液体であるガソリンや軽油等を燃料ポンプによりタンクからインジェクタに向けて圧送する旧来の内燃機関と異なり、超高圧水素をタンクからインジェクタに向けて吐出する内燃機関では、タンクに蓄えている水素が消費されるにつれて、タンク内の圧力、ひいてはインジェクタに供給される水素の圧力が低下してゆく。水素燃料タンクとインジェクタとの間に介在する圧力レギュレータは、インジェクタに供給される水素の圧力を極力一定に保つ働きをしている（以上、例えば下記特許文献を参照）。

特開２００６－１０５０８８号公報

タンクに蓄えている超高圧の燃料を圧力レギュレータにより減圧した上で供給するということは、燃料をタンクに充填する際の高圧圧縮に用いたエネルギを無駄に捨てているということでもある。

本発明は、内燃機関に供給される前の超高圧の燃料が持っているエネルギを回収して再利用できるようにすることを所期の目的とする。

本発明に係る、水素を含む燃料を消費して出力を発生させる内燃機関は、燃料を蓄える燃料タンクと、前記燃料タンクから吐出され気筒に向かう燃料を流通させる燃料配管と、前記燃料配管を流れる燃料の圧力を低減しながら減圧前の燃料が持っていたエネルギを取り出す変換機構とを備える燃料供給装置を具備し、前記変換機構は、前記燃料配管を流れる燃料により回転されるタービンと、当該タービンを迂回するバイパス通路の入口を開閉するウェイストゲートバルブまたは当該タービンに付設される可変ノズルと、タービンにより駆動される発電機とを有しており、さらに、前記タービン側から前記発電機側に漏洩する燃料を前記気筒に連なる吸気通路に還流させる還流路を設けたものである。当該内燃機関の吸気通路には。吸気を過給する過給機が付随しており、前記還流路上に吸気通路から前記発電機に向かう過給機の逆流を抑止するためのチェックバルブまたはベンチレーションバルブを設置する。

本発明によれば、燃料タンクに圧縮して蓄えられ、内燃機関に供給される前の超高圧の燃料が持っているエネルギを、内燃機関に供給する際に回収して再利用することが可能となり、効率の一層の向上に資する。

本発明の一実施形態の原動機及び燃料供給装置の構成を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における原動機たる車両用内燃機関（ＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅ）１００、及びこれに燃料を供給する燃料供給装置６の構成を示している。

本実施形態の内燃機関１００は、車両に動力源として搭載される筒内直接噴射式（直噴）の４ストローク火花点火エンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を有している。各気筒１には、当該気筒１の燃焼室内に直接燃料を噴射するためのインジェクタ１１を設置している。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を起こすものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、吸気絞り弁である電子制御スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化装置４１を配置している。排気浄化装置４１は、炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物の酸化／還元反応を促す三元触媒、尿素水等の還元剤を用いて窒素酸化物を還元する選択触媒還元脱硝（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）装置等を含む。加えて、排気タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を付設してある。

排気ターボ過給機５は、排気タービン５２とコンプレッサのインペラ５１とをシャフト５３を介して同軸で連結し連動するように構成したものである。タービン５２及びインペラ５１は、排気通路４を流れる排気のエネルギを利用して回転駆動される。その回転力を以てコンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸気通路３を流れる吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込むことができる。

本実施形態の内燃機関１００は、水素を含有する燃料（極めて高純度の水素であることがある）を使用する。燃料タンク６１は、その充填時に圧縮されて超高圧状態となった水素燃料を蓄えている。この燃料タンク６１から吐出される燃料は、燃料配管６２を介してインジェクタ１１まで送出され、インジェクタ１１が開弁したときに気筒１の燃焼室内に噴射される。

燃料タンク６１からインジェクタ１１までの燃料配管６２上には、タービン６３を配設している。タービン６３には、発電機６４を同軸に連結している。これらタービン６３及び発電機６４は、燃料配管６２を流通する超高圧の燃料を利用して回転駆動される。回転する発電機６４は、発電して電力を発生させる。その電力を、車載の蓄電装置（鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリといった二次電池やコンデンサ等）に充電したり、車両の走行駆動用の電動機や車体の電装系の電気負荷に供給したりすることができる。

タンク６１から吐出され燃料配管６２を流れる燃料がタービン６３を通過する過程では、燃料の圧力が低減する。タービン６３の下流の燃料の圧力は、タービン６３の上流及びタンク６１内の燃料の圧力よりも低圧である。タービン６３及び発電機６４は、タンク６１に蓄えていた高圧燃料を減圧して内燃機関１００の気筒１に供給する際に、その減圧前の高圧燃料が持っていたエネルギの少なくとも一部を回収して再利用可能とする変換機構として働く。

燃料配管６２におけるタービン６３の下流かつインジェクタ１１の上流の箇所には、燃料の圧力を所定の大きさに調圧する機能を有する圧力レギュレータ（図示せず）を設置することができる。尤も、水素燃料用の圧力レギュレータは高価であり、でき得るならば圧力レギュレータを廃したい。圧力レギュレータを廃する場合、タービン６３を通過してインジェクタ１１に至る燃料の圧力をできるだけ一定に保つよう、タービン６３の回転数や発電機６４の出力等を制御する必要がある。タービン６３に、当該タービン６３を迂回するバイパス通路の入口を開閉するウェイストゲートバルブ（図示せず）や、可変ノズル（図示せず）を付設し、それらウェイストゲート及び／または可変ノズルを開閉操作することにより、タービン６３の下流かつインジェクタ１１の上流における燃料の圧力を増減調整することが可能となる。

圧力レギュレータの代わりに、または圧力レギュレータとともに、燃料配管６２上に制御バルブ６５を設置することも考えられる。制御バルブ６５は、燃料配管６２を開閉し、または燃料配管６２を流れる燃料の流量を増減調整できる流量制御弁である。制御バルブ６５は、安全弁としての役割を担い得る。

タービン６３と発電機６４とを連結する回転軸を支える軸受の部分にはシールを施しているが、タービン６３を通過する燃料の一部が僅かながらタービン６３側から発電機６４側に漏出する可能性は否定できない。そこで、本実施形態では、発電機６４側に漏出した燃料を内燃機関１００の吸気通路３に還流させるための還流路６６を設けている。還流路６６は、発電機６４の内部と、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）とを連通せしめる。発電機６４側に漏洩した燃料は、還流路６６を通じて吸気通路３に吸い出され、気筒１にて燃焼される。

但し、本実施形態１００の内燃機関には過給機５が付随しており、吸気通路３を流通する過給気が顕著に高圧化することもあり得る。吸気通路３から発電機４に向かう過給気の逆流を抑止するべく、還流路６６上にはチェックバルブやベンチレーションバルブ等６７を設置することが好ましい。

本実施形態の内燃機関１００の運転を制御する電子制御装置（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、内燃機関１００の出力軸であるクランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、車両の運転者によるアクセルペダルの踏込量をアクセル開度（いわば、内燃機関１００に対して要求されるエンジン負荷率またはエンジントルク）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、気筒１に連なる吸気通路３（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）内の吸気の温度及び圧力を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、内燃機関１００の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、インジェクタ１１に連なる燃料配管６２（特に、制御バルブ６５の下流、インジェクタ１１の直上流）内の水素燃料の温度及び圧力を検出する燃料温・燃料圧センサから出力される燃料温・燃料圧信号ｆ、排気通路４における排気浄化装置４１を流れるガスの性状を検出するセンサ（ガスに含まれる酸素濃度、換言すれば空燃比を計測するＯ₂センサやリニアＡ／Ｆセンサ、ガスに含まれる水素濃度を計測する水素センサ等を含む）から出力されるガス性状信号ｇ、車載の蓄電装置に蓄えている電荷量を検出するセンサ（特に、バッテリ電流及び／またはバッテリ電圧センサ）から出力されるバッテリＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１のソレノイドに対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、制御バルブ６５に対して開度操作信号ｌ、タービン６３に付設したウェイストゲートバルブまたは可変ノズルに対して開度操作信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納しているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関１００の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関１００の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、それらに基づき、要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（気筒１の一サイクル（４ストロークエンジンでは、吸気行程－圧縮工程－膨脹行程－排気行程の一連を一サイクルとする）中における燃料噴射回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング（気筒１の一サイクル中における火花点火回数を含む）、発電機６４による発電電力（または、出力電圧若しくは出力電流）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態では、水素を含む燃料を消費して出力を発生させる原動機たる内燃機関１００に燃料を供給する装置６であって、燃料を蓄える燃料タンク６１と、前記燃料タンク６１から吐出され内燃機関１００の気筒１に向かう燃料を流通させる燃料配管６２と、前記燃料配管６２を流れる燃料の圧力を低減しながら減圧前の燃料が持っていたエネルギを取り出す変換機構たるタービン６３及び発電機６４とを備える燃料供給装置６を構成した。本実施形態によれば、燃料タンク６１から吐出される超高圧の燃料を適正な圧力まで減圧して内燃機関１００に供給しつつ、その減圧前の燃料が持っていたエネルギを電力の形で回収し再利用することができ、効率の一層の向上に資する。

燃料タンク６１に蓄えている燃料の量が増減し、燃料タンク６１から吐出される燃料の圧力が変動しても、インジェクタ１１に供給される燃料の圧力を安定化して、インジェクタ１１から所望の量の燃料を精確に噴射することができる。従って、内燃機関１００を安定的に運転できる。燃料タンク６１とインジェクタ１１との間の燃料配管６２上から、圧力レギュレータを廃することも可能である。

また、前記タービン６３側から前記発電機６４側に漏洩する燃料を前記気筒１に連なる吸気通路３に還流させる還流路６６を設けており、漏洩した燃料を気筒１において燃焼させることができ、無駄が生じない。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態の内燃機関１００は筒内直接噴射式であったが、各気筒の吸気ポートに向けてインジェクタから燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関に本発明を適用することもあり得る。

また、動力源として燃料電池を搭載した車両（ＦｕｅｌＣｅｌｌＶｅｈｉｃｌｅ）において、その燃料電池に燃料を供給するものとして、本発明に係る燃料噴射装置６を用いることもできる。

その他、各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１００…原動機（内燃機関）
１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
６…燃料供給装置
６１…燃料タンク
６２…燃料配管
６３、６４…変換機構（タービン、発電機）

Claims

水素を含む燃料を消費して出力を発生させる内燃機関であって、
燃料を蓄える燃料タンクと、前記燃料タンクから吐出され気筒に向かう燃料を流通させる燃料配管と、前記燃料配管を流れる燃料の圧力を低減しながら減圧前の燃料が持っていたエネルギを取り出す変換機構とを備える燃料供給装置を具備し、
前記変換機構は、前記燃料配管を流れる燃料により回転されるタービンと、当該タービンを迂回するバイパス通路の入口を開閉するウェイストゲートバルブまたは当該タービンに付設される可変ノズルと、タービンにより駆動される発電機とを有しており、
さらに、前記タービン側から前記発電機側に漏洩する燃料を前記気筒に連なる吸気通路に還流させる還流路を設けており、
前記吸気通路に吸気を過給する過給機が付随しており、前記還流路上に吸気通路から前記発電機に向かう過給機の逆流を抑止するためのチェックバルブまたはベンチレーションバルブを設置している内燃機関。