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JP2007270750A - Gas fuel internal combustion engine - Google Patents

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JP2007270750A
JP2007270750A JP2006098968A JP2006098968A JP2007270750A JP 2007270750 A JP2007270750 A JP 2007270750A JP 2006098968 A JP2006098968 A JP 2006098968A JP 2006098968 A JP2006098968 A JP 2006098968A JP 2007270750 A JP2007270750 A JP 2007270750A
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Japan
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fuel
gas
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internal combustion
ignition
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JP2006098968A
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Japanese (ja)
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Yuichi Oteru
祐一 大輝
Makoto Koike
誠 小池
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Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the ignitability of an internal combustion engine employing gaseous fuel as main fuel. <P>SOLUTION: The internal combustion engine employing the gaseous fuel as the main fuel includes an ignition plug 140, a gas injection valve 32 for supplying the gaseous fuel to the engine, and a liquid injection valve 42 for injecting liquid fuel to the engine. An ECU 100 judges whether the ignitability obtained by the gaseous fuel is within an appropriate range or not. When the ECU 100 determines that the ignitability will exceed the appropriate range, the liquid fuel as auxiliary fuel for ignition is supplied to the engine in addition to the gaseous fuel. In the appropriate range of the ignitability, for example, a required discharge voltage of the ignition plug 140 is regarded as a reference. When the required discharge voltage actually exceeds a set discharge voltage of the ignition plug or when it is predicted based on required torque or the like that the required discharge voltage will exceed the set discharge voltage, the discharge voltage is lowered by employing both the gaseous fuel and the liquid fuel and the ignitability is improved by injecting the minimum amounts of the fuels. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

ガス燃料を主燃料とする内燃機関に関する。   The present invention relates to an internal combustion engine using gas fuel as a main fuel.

水素ガス、LPG(Liquefied Petroleum Gas )、天然ガス、ガソリンなどを改質して得られる改質ガスなどを燃料とするガス燃料内燃機関が知られている。このガス燃料は、ガソリンと同等かそれ以上の燃焼性を持つため点火すると燃焼効率の良い内燃機関を提供できるが、ガソリン燃料と比較してその点火性に課題がある。   Gas fuel internal combustion engines using hydrogen gas, LPG (Liquefied Petroleum Gas), natural gas, reformed gas obtained by reforming gasoline or the like as fuel are known. Since this gas fuel has a combustibility equivalent to or higher than that of gasoline, it can provide an internal combustion engine with good combustion efficiency when ignited, but there is a problem in its ignitability compared with gasoline fuel.

このような点火性の低い燃料に、確実に点火するには、点火プラグの改良が必要であり、非特許文献1に示されているように、例えば点火プラグの電極形状の変更やプラグの細径化、プラグギャップの調整、絶縁材料や電極形状の変更、あるいは点火エネルギ自体を高めることが考えられる。   In order to reliably ignite such low ignitability fuel, it is necessary to improve the spark plug. As shown in Non-Patent Document 1, for example, the electrode shape of the spark plug is changed or the plug is narrowed. It is conceivable to increase the diameter, adjust the plug gap, change the insulating material or electrode shape, or increase the ignition energy itself.

点火不良、即ち失火は、内燃機関にとって非常に好ましくない。例えば特許文献1では、失火を検出するための装置が開示されている。ここでは、失火の原因として、燃料混合気のリーン状態やリッチ状態に起因する燃料系の失火、ミススパークに起因する点火系の失火が示されている。さらに、燃料系の失火については、その失火と、点火プラグの電極間に保持される電圧(放電電圧)とに相関関係があり、放電電圧が比較レベル(比較電圧値)を超える期間が、所定期間以上継続する時、失火と判定することが開示されている。   Poor ignition, or misfire, is highly undesirable for internal combustion engines. For example, Patent Document 1 discloses an apparatus for detecting misfire. Here, as the cause of misfire, the misfire of the fuel system due to the lean state or the rich state of the fuel mixture, and the misfire of the ignition system due to the miss spark are shown. Further, regarding the misfire of the fuel system, there is a correlation between the misfire and the voltage (discharge voltage) held between the electrodes of the spark plug, and the period during which the discharge voltage exceeds the comparison level (comparison voltage value) is predetermined. It is disclosed that a misfire is determined when it continues for a period of time.

特許文献2では、直噴式火花点火機関(内燃機関)における失火検出について開示されており、特許文献1と同様、点火プラグの放電電圧によって失火を判定することが開示されている。特許文献2では、さらに点火プラグの放電電圧を基準電圧と比較することで、点火プラグ周辺の空燃比が最適空燃比よりリッチ(過濃)であることによるリッチ失火か、リーン(希薄)であることによるリーン失火であるかを判定している。   Patent Document 2 discloses misfire detection in a direct-injection spark ignition engine (internal combustion engine). Similarly to Patent Document 1, it is disclosed to determine misfire based on a discharge voltage of a spark plug. In Patent Document 2, the discharge voltage of the spark plug is further compared with the reference voltage, so that the rich misfire or lean is caused by the air-fuel ratio around the spark plug being richer than the optimal air-fuel ratio. It is determined whether there is a lean misfire.

特開平6−213129号JP-A-6-213129 特開平10−299563号JP-A-10-299563 特開平9−21362号JP-A-9-21362 西尾兼光著「スパークプラグ」山海堂、1999年12月20日、p94−95Kanako Mitsuo “Spark Plug” Sankaido, December 20, 1999, p94-95

上述のようにガス燃料を主燃料とした内燃機関の場合、ガス燃料に対して最適な点火プラグを提供すればよいが、非特許文献1に開示されているように、点火性向上機能の高い改良方法ほどコストの高い点火装置が必要となる。このため、最適化には限界があり、また改良のための開発コスト、製造コストの上昇を避けられない。   In the case of an internal combustion engine that uses gas fuel as the main fuel as described above, it is only necessary to provide an optimal spark plug for the gas fuel. However, as disclosed in Non-Patent Document 1, it has a high ignition performance improving function. An improved method requires an expensive ignition device. For this reason, there is a limit to optimization, and an increase in development cost and manufacturing cost for improvement cannot be avoided.

また、特許文献1及び2に記載されたように失火を判定し、空気供給量や、燃料噴射量を調整することで、次のタイミングでの失火を回避することはできる。しかし、ガス燃料において失火の一因である希薄燃焼限界(リーン状態)での点火性悪化を、ガス燃料噴射量を増やして解消するのであり、燃料使用量を低減することはできない。よって、燃料使用量を低減するためには、点火性の低い希薄領域においても確実な点火を実現することが必要となり、上記非特許文献1に示されているように点火プラグの改良が要求される。   Moreover, misfire is determined as described in Patent Documents 1 and 2, and misfire at the next timing can be avoided by adjusting the air supply amount and the fuel injection amount. However, the deterioration in ignitability at the lean combustion limit (lean state), which is a cause of misfire in gas fuel, is eliminated by increasing the gas fuel injection amount, and the amount of fuel used cannot be reduced. Therefore, in order to reduce the amount of fuel used, it is necessary to achieve reliable ignition even in a lean region with low ignitability, and improvement of the spark plug is required as shown in Non-Patent Document 1 above. The

なお、特許文献3には、ガソリンを主燃料とする内燃機関にガソリンの改質ガスを併用することが記載されている。この特許文献3では、改質ガスを、気筒内に形成される消炎層(壁面)領域にのみ供給し、これによりガソリン燃料の燃焼時に消炎層となる領域の燃焼を促して炭化水素の未燃焼分を減少させている。つまり、気筒内の消炎層に選択的に改質ガス層を生成し、点火プラグ近接領域を含む消炎層の内側にガソリン燃料層を生成するので、点火プラグは、ガソリン燃料に対して適切な火花点火ができれば良く、従来知られた点火プラグをそのまま採用すればよい。さらに、特許文献3では、改質ガスの供給タイミングによって点火プラグ付近に改質ガス層を生成すると、主燃料(ガソリン燃料)の点火性が悪い場合に点火性を向上させることができるとも述べており、ガス燃料の点火性の低さについて認識が全くない。   Patent Document 3 describes that a reformed gas of gasoline is used in combination with an internal combustion engine whose main fuel is gasoline. In Patent Document 3, the reformed gas is supplied only to the extinguishing layer (wall surface) region formed in the cylinder, thereby promoting combustion in the region that becomes the extinguishing layer when the gasoline fuel is burned, and hydrocarbons are not yet burned. Decreasing the minutes. In other words, the reformed gas layer is selectively generated in the flame extinguishing layer in the cylinder, and the gasoline fuel layer is generated inside the flame extinguishing layer including the spark plug proximity region, so that the spark plug is an appropriate spark for gasoline fuel. What is necessary is just to be able to ignite, and what is necessary is just to employ | adopt a conventionally known spark plug as it is. Further, Patent Document 3 states that if a reformed gas layer is generated near the spark plug at the reformed gas supply timing, the ignitability can be improved when the ignitability of the main fuel (gasoline fuel) is poor. There is no recognition of the low ignitability of gas fuel.

本発明は、ガス燃料を主燃料とした内燃機関における点火性の向上を図る。   The present invention aims to improve ignitability in an internal combustion engine using gas fuel as the main fuel.

本発明は、主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、を備え、エンジン制御部が、ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかを判断し、前記適性範囲外に到達すると予測した時には、前記ガス燃料に加えて前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給する。   The present invention relates to an internal combustion engine that uses gas fuel as a main fuel, a gas injection valve that supplies the gas fuel to the engine, a liquid injection valve that supplies liquid fuel to the engine, and an air-fuel mixture in an engine cylinder. An ignition plug that performs spark ignition, and when the engine control unit determines whether the ignitability by the gas fuel is within an appropriate range and predicts that the gas fuel is outside the appropriate range, in addition to the gas fuel, the liquid fuel Is supplied to the engine as an ignition auxiliary fuel.

本発明の他の態様において、上記エンジン制御部は、点火プラグの要求放電電圧が所定電圧を超えるかどうかを、予め設定した燃料噴射量の所定の関係マップ、または前記要求放電電圧の検出値に基づいて判断し、前記ガス燃料による点火性の適性範囲外への到達を予測することができる。   In another aspect of the present invention, the engine control unit determines whether or not the required discharge voltage of the spark plug exceeds a predetermined voltage based on a predetermined relationship map of the fuel injection amount set in advance or a detection value of the required discharge voltage. Based on this, it is possible to predict the arrival of the gas fuel outside the appropriate range of ignitability.

本発明の他の態様では、主燃料としてガス燃料を用いる火花点火内燃機関であって、前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、を備え、エンジン制御部が、点火プラグの要求放電電圧の限界電圧を考慮した要求トルク及び混合気濃度に対する燃料噴射量の関係マップを有し、該関係マップに基づいて、前記要求放電電圧が前記限界放電電圧を超える領域と判定されると、前記ガス燃料に加えて前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給する。   In another aspect of the present invention, there is provided a spark ignition internal combustion engine that uses gas fuel as main fuel, a gas injection valve that supplies the gas fuel to the engine, a liquid injection valve that supplies liquid fuel to the engine, and an engine An ignition plug that performs spark ignition on the air-fuel mixture in the cylinder, and the engine control unit has a relationship map of the required torque and the fuel injection amount with respect to the air-fuel mixture concentration in consideration of the limit voltage of the required discharge voltage of the ignition plug When it is determined that the required discharge voltage exceeds the limit discharge voltage based on the relationship map, the liquid fuel is supplied to the engine as an ignition auxiliary fuel in addition to the gas fuel.

本発明の他の態様では、主燃料としてガス燃料を用いる火花点火内燃機関であって、前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、前記点火プラグの点火時の要求放電電圧を検出する検出部と、備え、検出した前記要求放電電圧が、前記点火プラグの限界電圧を超えると、前記ガス燃料に加えてさらに前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給する。   In another aspect of the present invention, there is provided a spark ignition internal combustion engine that uses gas fuel as main fuel, a gas injection valve that supplies the gas fuel to the engine, a liquid injection valve that supplies liquid fuel to the engine, and an engine An ignition plug that performs spark ignition on the air-fuel mixture in the cylinder, and a detection unit that detects a required discharge voltage when the ignition plug is ignited, and when the detected required discharge voltage exceeds a limit voltage of the ignition plug In addition to the gas fuel, the liquid fuel is supplied to the engine as an ignition auxiliary fuel.

本発明の他の態様では、上記内燃機関において、前記液体燃料は、エンジン気筒内に直接噴射することができる。   In another aspect of the present invention, in the internal combustion engine, the liquid fuel can be directly injected into an engine cylinder.

ガス燃料は、液体燃料と比較して比誘電率が小さい燃料であり、点火性が低いという特性を持つ。例えば、エンジン負荷(要求トルク)が大きい場合、又は混合気濃度が低い場合、特にその両方の場合、点火性の悪化が著しくなるが、本発明では、このようにガス燃料による点火性が適性範囲を超えて悪化する場合には、ガス燃料と共に、点火補助燃料として液体燃料を併用する。液体燃料は、例えばガソリン燃料等であり、ガス燃料に比較して比誘電率が大きい。したがって、エンジンの気筒内にガス燃料と共に液体燃料を供給することで、点火性を向上させることができる。このため、ガス燃料及び液体燃料のいずれも最小限の噴射量を実現し、かつ点火プラグは特別に改良することなく点火性を改善することができる。   Gas fuel is a fuel having a smaller relative dielectric constant than liquid fuel, and has a characteristic of low ignitability. For example, when the engine load (required torque) is large, or when the air-fuel mixture concentration is low, especially in both cases, the ignitability is markedly deteriorated. In the case of worsening beyond this, liquid fuel is used in combination with gas fuel as ignition auxiliary fuel. The liquid fuel is, for example, gasoline fuel and has a relative dielectric constant larger than that of gas fuel. Therefore, the ignitability can be improved by supplying the liquid fuel together with the gas fuel into the cylinder of the engine. Therefore, both the gas fuel and the liquid fuel can achieve the minimum injection amount, and the ignition performance can be improved without any special improvement of the spark plug.

ここで、ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかは、点火プラグの要求放電電圧が所定電圧を超えるかどうかを、予め設定した燃料噴射量の所定の関係マップ、または要求放電電圧の検出値に基づいて判断することで容易に決定することができる。上述のようにガス燃料は、液体燃料に比較して比誘電率が小さいため、着火しにくく(着火した後の燃焼性とは関係がない)、これを点火プラグの電極間での要求放電電圧(放電に必要な電圧)で見ると、一般的に、要求放電電圧が同一条件下での液体燃料に対する要求放電電圧よりも高い。さらに、要求トルクが大きく、或いは混合気濃度が低く、点火性が悪化する条件では、ガス燃料に対する点火プラグの要求放電電圧は非常に高くなる。従って、要求放電電圧を指標にガス燃料の点火性の適性範囲を判断して、液体燃料を点火補助として併用することで、確実にこの要求放電電圧を低下させて、点火性を向上させることができる。   Here, whether or not the ignitability by the gas fuel is in an appropriate range is determined based on whether or not the required discharge voltage of the spark plug exceeds a predetermined voltage, based on a predetermined relationship map of the fuel injection amount or a detected value of the required discharge voltage. It can be easily determined by making a judgment based on the above. As described above, since the relative permittivity of gas fuel is smaller than that of liquid fuel, it is difficult to ignite (not related to the combustibility after ignition), and this is the required discharge voltage between the electrodes of the spark plug. When viewed in terms of (voltage required for discharge), the required discharge voltage is generally higher than the required discharge voltage for liquid fuel under the same conditions. Furthermore, the required discharge voltage of the spark plug for the gas fuel becomes very high under the condition that the required torque is large or the mixture concentration is low and the ignitability is deteriorated. Therefore, by determining the appropriate range of the ignitability of the gas fuel using the required discharge voltage as an index and using the liquid fuel together as an ignition assist, the required discharge voltage can be reliably reduced and the ignitability can be improved. it can.

また、本発明において、液体燃料をエンジン気筒へ直接噴射する方式を採用することで、点火プラグの周囲に効率的にガス燃料を供給でき、ガス燃料についても液体燃料についても最小限の使用量で点火性を向上することができる。   Further, in the present invention, by adopting a system in which liquid fuel is directly injected into the engine cylinder, gas fuel can be efficiently supplied around the spark plug, and both gas fuel and liquid fuel can be used with a minimum amount of use. The ignitability can be improved.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態(実施形態)について説明する。   Hereinafter, embodiments (embodiments) of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施形態の概略]
本実施形態は、主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であり、気筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁を備える。さらに、エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁を備える。
[Outline of Embodiment]
The present embodiment is an internal combustion engine that uses gas fuel as the main fuel, and includes an ignition plug that sparks and ignites an air-fuel mixture in a cylinder, and a gas injection valve that supplies the gas fuel to the engine. Furthermore, a liquid injection valve that supplies liquid fuel to the engine is provided.

エンジンの制御部(いわゆるECU:電子制御ユニット)は、ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかを判断し、適性範囲外に到達すると予測した時には、ガス燃料に加えて前燃料を点火補助燃料としてエンジンに供給する。ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかについては、後述するように、点火プラグの要求放電電圧が所定電圧を超えるかどうかを、予め設定した燃料噴射量の関係マップ、または要求放電電圧の検出値に基づいて判断することで決定する。   The engine control unit (so-called ECU: electronic control unit) judges whether or not the ignitability by the gas fuel is within an appropriate range, and when it is predicted that it will reach the outside of the appropriate range, the previous fuel is used as an ignition auxiliary fuel in addition to the gas fuel Supply to the engine. As to whether or not the ignitability due to the gas fuel is in an appropriate range, as will be described later, whether or not the required discharge voltage of the spark plug exceeds a predetermined voltage, a predetermined relationship map of the fuel injection amount, or a detected value of the required discharge voltage It is decided by judging based on.

ガス燃料としては、水素ガス、LPG、天然ガス等が採用でき、またガソリンなどの炭化水素燃料を改質して得られる改質ガスを採用することも可能である。炭化水素燃料の改質ガスとしては、炭化水素燃料を水蒸気又は二酸化炭素で改質すると得られる水素と一酸化炭素の混合ガスが挙げられる。もちろん、これらのガスには限定されず、可燃性の所望のガス燃料が採用可能である。点火補助燃料として用いられる液体燃料としては、例えばガソリン、メタノール、エタノール、或いは軽油、重油などの採用も可能でき、ガス燃料よりも比誘電率が大きく点火性が高い液体を採用することができる。よって、水などについても採用可能である。   As the gas fuel, hydrogen gas, LPG, natural gas, or the like can be employed, and a reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon fuel such as gasoline can also be employed. Examples of the reformed gas for the hydrocarbon fuel include a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide obtained by reforming the hydrocarbon fuel with steam or carbon dioxide. Of course, it is not limited to these gases, The combustible desired gas fuel can be employ | adopted. As the liquid fuel used as the ignition auxiliary fuel, for example, gasoline, methanol, ethanol, light oil, heavy oil or the like can be used, and a liquid having a higher relative dielectric constant and higher ignitability than gas fuel can be used. Therefore, it can be used for water.

本実施形態において、ガス燃料による点火性適性範囲かどうかについてのECUの判断は、以下のような方法で行うことができる。例えば、必要な条件を内燃機関毎に予め測定し、これを燃料噴射量マップとしてECUに設定しておき、要求トルクや混合気濃度などからこのマップを参酌して液体燃料を併用すべき条件かどうかを判定する。つまり、例えば要求トルクに対応する燃料噴射量項目に、ガス燃料のみでは点火性が適性でないとして、ガス燃料と液体燃料のそれぞれの噴射量が設定されていれば、ECUはその設定値に応じた量のガス燃料と液体燃料を噴射すると共に、それに応じた空気量となるようスロットルバルブ等の制御を行う。別の方法では、実際に点火プラグにおける要求放電電圧を測定し、その電圧値が基準値を超える場合には、ガス燃料だけでは点火性が適性でないとして、ガス燃料に加えて液体燃料を点火補助燃料として採用する。   In the present embodiment, the ECU's judgment as to whether or not it is within the ignitability suitability range with gas fuel can be made by the following method. For example, the necessary conditions are measured in advance for each internal combustion engine, and this is set in the ECU as a fuel injection amount map. Determine if. In other words, for example, if the fuel injection amount item corresponding to the required torque is set so that the ignitability is not appropriate only with the gas fuel, and the respective injection amounts of the gas fuel and the liquid fuel are set, the ECU responds to the set value. A quantity of gas fuel and liquid fuel are injected, and the throttle valve and the like are controlled so that the air quantity corresponding to the fuel is injected. In another method, when the required discharge voltage at the spark plug is actually measured and the voltage value exceeds the reference value, it is determined that gas fuel alone is not suitable for ignition, and liquid fuel is added to the gas fuel to assist ignition. Adopt as fuel.

図1及び図2は、炭化水素燃料を水蒸気又は二酸化炭素で改質すると得られる水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスについての、点火プラグの要求放電電圧と、混合気の当量比(燃料と空気との当量比)の関係について、異なる負荷(要求トルク)の条件下で測定した結果を示している。図1及び図2において、縦軸は点火プラグの要求放電電圧、横軸は、混合気の当量比である。なお、液体燃料としてはガソリンを採用し、点火プラグとしては、従来から採用されている一般的なガソリン燃料用の点火プラグを採用している。また、図1及び図2において、「ガソリン」で示す特性は、ガソリンを主燃料として用い、これの混合気濃度(当量比)を変えて点火した場合の要求放電電圧であり、「改質ガス」で示す特性は、改質ガスを主燃料として用い、この改質ガスの混合気濃度(当量比)を変えて点火した場合の要求放電電圧である。さらに、「改質ガス:ガソリン=1:1」で示す特性は、改質ガスとガソリンを発熱量比1:1で供給し、かつ混合気濃度(当量比)を変えて点火した場合の要求放電電圧である。   1 and 2 show the required discharge voltage of the spark plug and the equivalent ratio of the air-fuel mixture for the reformed gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide obtained by reforming the hydrocarbon fuel with steam or carbon dioxide. About the relationship of (equivalent ratio of fuel and air), the result of having been measured under different load (required torque) conditions is shown. 1 and 2, the vertical axis represents the required discharge voltage of the spark plug, and the horizontal axis represents the equivalence ratio of the air-fuel mixture. In addition, gasoline is used as the liquid fuel, and a conventional ignition plug for gasoline fuel is used as the ignition plug. 1 and 2, the characteristic indicated by “gasoline” is a required discharge voltage when gasoline is used as a main fuel and ignition is performed by changing the gas mixture concentration (equivalent ratio). The characteristic indicated by "is the required discharge voltage when the reformed gas is used as the main fuel and ignition is performed by changing the mixture concentration (equivalent ratio) of the reformed gas. Furthermore, the characteristic indicated by “reformed gas: gasoline = 1: 1” is a requirement when the reformed gas and gasoline are supplied at a calorific value ratio of 1: 1 and ignition is performed by changing the gas mixture concentration (equivalent ratio). Discharge voltage.

図1は、高負荷状態での測定結果であり、図2は低負荷状態での測定結果である。ガソリン燃料を主燃料として用いた場合には、同一当量比における要求放電電圧は、高負荷時の方がわずかに高い放電電圧となっているが、いずれの負荷状態においても、点火系の限界電圧、つまり採用した点火プラグの設計電圧よりも十分に低い。よって、ガソリンを燃料として用いる場合には、混合気濃度(当量比)によらず従前の点火プラグの能力の範囲内で点火させることができることがわかる。   FIG. 1 shows a measurement result in a high load state, and FIG. 2 shows a measurement result in a low load state. When gasoline fuel is used as the main fuel, the required discharge voltage at the same equivalence ratio is slightly higher at high load, but the limit voltage of the ignition system at any load condition. That is, it is sufficiently lower than the design voltage of the spark plug adopted. Therefore, when gasoline is used as fuel, it can be understood that ignition can be performed within the range of the ability of the conventional spark plug regardless of the mixture concentration (equivalent ratio).

一方、改質ガスを主燃料として用いたときの点火プラグの放電電圧は、低負荷の場合には点火プラグの限界電圧より低いが、高負荷状態では、限界電圧を超えてしまっている。   On the other hand, the discharge voltage of the spark plug when the reformed gas is used as the main fuel is lower than the limit voltage of the spark plug when the load is low, but exceeds the limit voltage when the load is high.

これに対し、図1に示すように、改質ガスに加えて点火補助燃料としてガソリンを併用すると、要求放電電圧は、点火系の限界電圧よりも十分低い電圧に低下し、安定した点火が可能となることがわかる。もちろん、低負荷の場合においても改質ガスとガソリンを併用することで、改質ガス単独の場合の放電電圧よりも低い放電電圧が得られている。   On the other hand, as shown in FIG. 1, when gasoline is used as an ignition auxiliary fuel in addition to the reformed gas, the required discharge voltage is lowered to a voltage sufficiently lower than the limit voltage of the ignition system, and stable ignition is possible. It turns out that it becomes. Of course, even in the case of a low load, by using the reformed gas and gasoline in combination, a discharge voltage lower than the discharge voltage in the case of the reformed gas alone is obtained.

このような特性は、液体燃料としてガソリンを用い、ガソリンよりも比誘電率の小さい水素、LPG、天然ガスを主燃料として用いた場合にも同様に得られる(ガソリンの比誘電率は1.9〜2.5、改質ガス、水素、LPG、天然ガスの比誘電率は約1.0)。また、液体燃料としてガソリンではなく、例えばメタノール、エタノールのアルコール燃料等を採用した場合、これらの比誘電率は、さらに大きく、10以上もある。したがって、ガソリンではなく、これらアルコール燃料なども液体燃料として採用可能であり、その比誘電率の高さからガソリンよりもさらに少ない噴射量で点火性の改善を図ることも可能である。   Such characteristics can be obtained similarly when gasoline is used as the liquid fuel and hydrogen, LPG, or natural gas having a dielectric constant smaller than that of gasoline is used as the main fuel (the relative dielectric constant of gasoline is 1.9). ~ 2.5, the relative dielectric constant of reformed gas, hydrogen, LPG and natural gas is about 1.0). In addition, when the liquid fuel is not gasoline but, for example, alcohol fuel such as methanol or ethanol, the relative dielectric constant is larger and is 10 or more. Therefore, alcohol fuel or the like can be used as liquid fuel instead of gasoline, and ignitability can be improved with a smaller injection amount than gasoline due to its high dielectric constant.

本実施形態では、以上説明したように、ガス燃料を主燃料とする火花点火内燃機関において、液体燃料を点火補助燃料として状況に応じて併用することで、点火性、特に高負荷時又は希薄運転時の点火系の要求放電電圧を低下させて点火性を向上することが可能となっている。   In the present embodiment, as described above, in a spark ignition internal combustion engine using gas fuel as a main fuel, ignitability, particularly at high load or lean operation, can be used in combination with liquid fuel as an ignition auxiliary fuel depending on the situation. It is possible to improve the ignitability by reducing the required discharge voltage of the ignition system at the time.

[具体例1]
図3は、本実施形態に係る内燃機関の具体的な構成例を示す。この内燃機関では、主燃料としてガス燃料をエンジンに供給する主燃料供給系30と、点火補助燃料として液体燃料(ここではガソリン)を供給する点火補助燃料供給系40を備え、吸気管120の吸気ポート付近に、主燃料供給系30からのガス燃料を噴射するガス燃料噴射弁32と、液体燃料供給系40からの液体燃料を噴射するための液体燃料噴射弁42が設けられている。ECU100には、条件に応じて混合気の点火性が適性範囲となるように調整するための燃料噴射量マップ(詳しくは後述する)が設定されており、ECU100は、このマップを参照して、この主燃料噴射量、液体燃料噴射量、及び空気量、点火時期などを制御する。なお各燃料供給系30,40では、それぞれの燃料が格納されたタンクと、このタンクから燃料を汲み上げるポンプが設けられ、その先にそれぞれ燃料噴射弁32,42が設けられている。
[Specific Example 1]
FIG. 3 shows a specific configuration example of the internal combustion engine according to the present embodiment. This internal combustion engine includes a main fuel supply system 30 that supplies gas fuel to the engine as main fuel, and an ignition auxiliary fuel supply system 40 that supplies liquid fuel (in this case, gasoline) as ignition auxiliary fuel. A gas fuel injection valve 32 for injecting gas fuel from the main fuel supply system 30 and a liquid fuel injection valve 42 for injecting liquid fuel from the liquid fuel supply system 40 are provided in the vicinity of the port. The ECU 100 is set with a fuel injection amount map (described later in detail) for adjusting the ignitability of the air-fuel mixture to be within an appropriate range according to conditions. The ECU 100 refers to this map, The main fuel injection amount, liquid fuel injection amount, air amount, ignition timing, and the like are controlled. Each of the fuel supply systems 30 and 40 is provided with a tank in which the fuel is stored and a pump for pumping fuel from the tank, and fuel injection valves 32 and 42 are provided at the ends thereof.

気筒110の上部付近には、点火プラグ140、吸気弁124、排気弁126がそれぞれ設けられ、気筒110内には、気筒軸線に沿って上下し、コネクティングロッドによりクランク軸に連結されたピストン114が設けられている。吸気管120には、スロットルバルブ122が設けられ、気筒110の空気の吸気量を制御している。なお、このスロットルバルブ122には、このバルブを通過する空気の流量を測定してエアーフローメータ信号を出力するエアフローメータが設けられている(図示しない)。また、気筒110の排気ポートは、排気管130につながっており、その先には三元触媒などからなる排気触媒128が設置されている。   An ignition plug 140, an intake valve 124, and an exhaust valve 126 are provided in the vicinity of the upper portion of the cylinder 110, and a piston 114 that moves up and down along the cylinder axis and is connected to the crankshaft by a connecting rod is provided in the cylinder 110. Is provided. The intake pipe 120 is provided with a throttle valve 122 to control the intake air amount of the cylinder 110. The throttle valve 122 is provided with an air flow meter (not shown) that measures the flow rate of air passing through the valve and outputs an air flow meter signal. Further, the exhaust port of the cylinder 110 is connected to the exhaust pipe 130, and an exhaust catalyst 128 made of a three-way catalyst or the like is installed at the end.

図4は、ECU100に設定される燃料噴射量マップを示している。この燃料噴射量マップは、要求トルクと混合気濃度に応じて必要な燃料噴射量が示されており、エンジン回転数毎に設けられている。この燃料噴射量マップでは、点火プラグの要求放電電圧がその設計電圧(限界電圧)を超えない領域では、各条件で必要なガス燃料の噴射量のみが設定されている。また、設計電圧を超えるような領域では、ガス燃料のみでは点火性が適性範囲にならないとの推定から、液体燃料をガス燃料と併用することが設定されている。具体的には、この点火性適性範囲外の領域では、ガス燃料噴射量を減らし、それによる出力減少分に相当する液体燃料の噴射量が設定されている。   FIG. 4 shows a fuel injection amount map set in the ECU 100. This fuel injection amount map shows the required fuel injection amount according to the required torque and the air-fuel mixture concentration, and is provided for each engine speed. In this fuel injection amount map, in the region where the required discharge voltage of the spark plug does not exceed its design voltage (limit voltage), only the injection amount of gas fuel necessary for each condition is set. Further, in an area where the design voltage is exceeded, it is set that liquid fuel is used in combination with gas fuel based on the assumption that the ignitability is not in an appropriate range with only gas fuel. Specifically, in the region outside the ignitability appropriate range, the gas fuel injection amount is reduced, and the liquid fuel injection amount corresponding to the reduction in output is set.

以下に上記エンジンの動作について簡単に説明する。まず、ECU100は、上述のような要求トルクと混合気濃度に対する燃料噴射量マップを参照し、要求トルクの増加時及び混合気濃度の希薄化時において、点火プラグの要求放電電圧が設計電圧を超えると予想される場合、ガス燃料及びガソリン燃料のそれぞれについての最適な噴射量と、空気量とを決定し、噴射弁32,42、スロットルバルブ122を制御する。要求放電電圧が設計電圧を超えない場合には、図4のマップを参照して必要なガス燃料噴射量と、空気量とを決定する(ガソリン燃焼の噴射は実行しない)。吸気ポートには、このようにECU100の制御により、最適量の空気と、ガス燃料(又は所望割合のガス燃料と液体燃料の混合燃料)とが供給される。   The operation of the engine will be briefly described below. First, the ECU 100 refers to the fuel injection amount map for the required torque and the mixture concentration as described above, and the required discharge voltage of the spark plug exceeds the design voltage when the required torque is increased and when the mixture concentration is diluted. If it is expected, the optimum injection amount and air amount for each of the gas fuel and gasoline fuel are determined, and the injection valves 32 and 42 and the throttle valve 122 are controlled. When the required discharge voltage does not exceed the design voltage, the required gas fuel injection amount and air amount are determined with reference to the map of FIG. 4 (gasoline combustion injection is not executed). The intake port is thus supplied with the optimum amount of air and gas fuel (or a mixed fuel of gas fuel and liquid fuel in a desired ratio) under the control of the ECU 100.

吸気行程で、吸気弁124が開き、ピストン114が下降すると、吸気ポートから、上記ECU100によって制御された適量の空気及び適量のガス燃料(又はガス燃料と液体燃料の混合燃料)が気筒110内に吸入され、気筒110内で最適な当量比(空燃比)の混合気が形成される。   When the intake valve 124 is opened and the piston 114 is lowered in the intake stroke, an appropriate amount of air and an appropriate amount of gas fuel (or a mixed fuel of gas fuel and liquid fuel) controlled by the ECU 100 are introduced into the cylinder 110 from the intake port. The air-fuel mixture is sucked into the cylinder 110 and has an optimal equivalence ratio (air-fuel ratio).

圧縮行程では、吸気弁124が閉じてピストンが上昇し、筒内の混合気が圧縮される。点火プラグ140は、ECU100の制御により、ピストン114がその上死点近傍に到達した所望のタイミングで、この圧縮混合気に対して火花点火を行う。上述のように、本実施形態では、常に、この点火プラグ140の放電電圧によって点火可能な混合気が気筒内に供給されるため、圧縮混合気は確実に着火して燃焼し、膨張する。燃焼ガスの膨張により気筒110内での圧力が上昇し、これによりピストン114は押し下げられて、クランク軸を回転させ、要求に応じたトルクを得る。続く排気行程では、排気弁126が開き、燃焼ガスが排気ポートに排出され、この燃焼ガスは排気触媒128で浄化された後、大気中に放出される。   In the compression stroke, the intake valve 124 closes and the piston rises, and the air-fuel mixture in the cylinder is compressed. The spark plug 140 performs spark ignition on the compressed air-fuel mixture at a desired timing when the piston 114 reaches the vicinity of the top dead center under the control of the ECU 100. As described above, in the present embodiment, since the air-fuel mixture that can be ignited by the discharge voltage of the spark plug 140 is always supplied into the cylinder, the compressed air-fuel mixture is reliably ignited, burned, and expanded. Due to the expansion of the combustion gas, the pressure in the cylinder 110 rises, whereby the piston 114 is pushed down to rotate the crankshaft and obtain a torque according to the demand. In the subsequent exhaust stroke, the exhaust valve 126 is opened and the combustion gas is discharged to the exhaust port. The combustion gas is purified by the exhaust catalyst 128 and then released into the atmosphere.

ここで、点火をアシストするために投入される液体燃料としてガソリンを用い、主燃料として改質ガスを用いた場合において、自然吸気エンジンを例にとると、このガソリン量は、最大でも全燃料(改質ガスとガソリン)の20%(発熱量割合)で充分である。しかし、点火性を改善する上では、それ以上投入してもよい。但し、特にガソリン使用量をできる限り少量にするという観点からは、上記20%を上限とすることが好適である。   Here, in the case where gasoline is used as the liquid fuel input to assist ignition and reformed gas is used as the main fuel, taking a naturally aspirated engine as an example, this gasoline amount is at most the total fuel ( 20% (calorific value ratio) of the reformed gas and gasoline is sufficient. However, in order to improve ignitability, more may be added. However, particularly from the viewpoint of making the amount of gasoline used as small as possible, it is preferable to set the above 20% as the upper limit.

ガソリンなどの炭化水素燃料から得る改質ガスの組成は、改質温度によって変わるため、ここでは700℃を越える高い改質温度の時に得られる改質ガスを例に、上記発熱量割合での20%を質量割合で示すと、全燃料の約12%(質量割合)となる。この場合、残りの88%(質量割合)が改質ガスとなる。   The composition of the reformed gas obtained from a hydrocarbon fuel such as gasoline varies depending on the reforming temperature. Therefore, here, the reformed gas obtained at a high reforming temperature exceeding 700 ° C. is taken as an example, and the calorific value 20 When% is expressed as a mass ratio, it is about 12% (mass ratio) of the total fuel. In this case, the remaining 88% (mass ratio) becomes the reformed gas.

このように燃料噴射量マップとして、予め必要な条件を組み込んでおき、要求トルクなどに応じてガス燃料と液体燃料の併用及び各噴射量などを決定することで、センサなどのない簡易な内燃機関により迅速に点火性を向上させることができる。   As described above, a simple internal combustion engine without a sensor or the like is obtained by incorporating necessary conditions in advance as a fuel injection amount map and determining the combined use of gas fuel and liquid fuel and each injection amount according to the required torque and the like. Thus, the ignitability can be improved quickly.

[具体例2]
次に、具体例2について説明する。上記具体例1では、ECU100に、要求トルクと混合気濃度に対する燃料噴射量マップを備え、要求トルク、混合気濃度等に基づいて、点火プラグの要求放電電圧が設計電圧を超えると予測される条件になると、ガス燃料に加え液体燃料を用いる。これに対し具体例2では、実際に、点火プラグ140の放電電圧を検出し、その放電電圧が所定の設計電圧を超えた場合、点火性が悪化して、点火性適性範囲外になると予測されるので、ガス燃料と液体燃料の併用を行う。図5は、具体例2で用いる点火装置の等価回路の概略図である。
[Specific Example 2]
Next, specific example 2 will be described. In the first specific example, the ECU 100 is provided with a fuel injection amount map for the required torque and the mixture concentration, and based on the required torque, the mixture concentration, etc., the condition that the required discharge voltage of the spark plug is predicted to exceed the design voltage Then, liquid fuel is used in addition to gas fuel. On the other hand, in the specific example 2, when the discharge voltage of the spark plug 140 is actually detected and the discharge voltage exceeds a predetermined design voltage, it is predicted that the ignitability deteriorates and falls outside the ignitability appropriate range. Therefore, gas fuel and liquid fuel are used together. FIG. 5 is a schematic diagram of an equivalent circuit of the ignition device used in the second specific example.

点火装置は、点火プラグ140と、点火コイル142を備える。点火コイル142は、1次コイル142a、2次コイル142bを備え、1次コイル142aには、スイッチSW、コンデンサC1が並列接続され、コンデンサC1と1次コイル142aの間にはバッテリ146と抵抗1がそれぞれ接続されている。2次コイル142bにはコンデンサC2及び点火プラグ140及び点火プラグ140の電極間電圧(放電電圧)を検出する検出部144が接続されている。   The ignition device includes a spark plug 140 and an ignition coil 142. The ignition coil 142 includes a primary coil 142a and a secondary coil 142b. A switch SW and a capacitor C1 are connected in parallel to the primary coil 142a, and a battery 146 and a resistor 1 are connected between the capacitor C1 and the primary coil 142a. Are connected to each other. The secondary coil 142b is connected to a capacitor C2, a spark plug 140, and a detection unit 144 that detects a voltage (discharge voltage) between the electrodes of the spark plug 140.

1次コイル142aにバッテリ146からの電流が供給され、電荷がコンデンサC1に蓄積されている状態で、ECU100の制御などによってスイッチSWを閉状態から開状態に変化させることでコイル142aへの通電が遮断され、2次コイル142bに2次電流が誘起される。2次電流はコンデンサC2に蓄積され、点火プラグ140の電極間の電圧が上昇し、やがて要求放電電圧に達すると点火プラグ140の電極間(混合気)で絶縁破壊が起き、プラグ電極間に火花が飛び、プラグ140の周囲の混合気に火花点火される。要求放電電圧検出部は、1次コイル142aへの通電が遮断されることで2次コイル142bに2次電流が流れ、これにより上昇する点火プラグ140の電極間電圧(2次電圧)の最大値(要求放電電圧)を検出する。プラグ140の電極間に火花放電が起きるとこの電極間電圧は急速に低下するため、最大値が放電に必要な電圧、即ち要求放電電圧に相当する。   When the current from the battery 146 is supplied to the primary coil 142a and the electric charge is accumulated in the capacitor C1, the coil SW is energized by changing the switch SW from the closed state to the open state under the control of the ECU 100 or the like. The secondary current is induced in the secondary coil 142b. The secondary current is accumulated in the capacitor C2, and the voltage between the electrodes of the spark plug 140 increases. When the required discharge voltage is reached, insulation breakdown occurs between the electrodes of the spark plug 140 (air mixture), and a spark is generated between the plug electrodes. And the air-fuel mixture around the plug 140 is sparked. The required discharge voltage detector is configured such that when the energization of the primary coil 142a is cut off, the secondary current flows through the secondary coil 142b, and the maximum value of the interelectrode voltage (secondary voltage) of the spark plug 140 that rises as a result (Required discharge voltage) is detected. When a spark discharge occurs between the electrodes of the plug 140, the voltage between the electrodes rapidly decreases, and the maximum value corresponds to a voltage required for discharge, that is, a required discharge voltage.

図1に示したように、ガス燃料と空気との混合気が希薄であり、かつ、高負荷となるような場合には、要求放電電圧は著しく高くなり、点火性の悪化が予測できる。そこで、具体例2では、放電電圧検出部144によって、この要求放電電圧を検出する。検出信号はECU100に送られ、ECU100は、予め定めた基準電圧、例えば、採用する点火プラグ140の限界電圧(設計電圧)よりも検出した要求放電電圧が高くなると、ガス燃料と液体燃料の併用を決定する。   As shown in FIG. 1, when the mixture of gas fuel and air is lean and the load is high, the required discharge voltage becomes remarkably high, and deterioration of ignitability can be predicted. Therefore, in the specific example 2, the required discharge voltage is detected by the discharge voltage detection unit 144. The detection signal is sent to the ECU 100, and when the required discharge voltage detected becomes higher than a predetermined reference voltage, for example, a limit voltage (design voltage) of the spark plug 140 to be employed, the ECU 100 uses the gas fuel and the liquid fuel together. decide.

ここで、ECU100は、例えば、予め内部に設定されている要求トルクと混合気濃度に対する燃料(ガス燃料)噴射量マップを持っている。そこで、要求放電電圧が限界電圧を超えたことが検出された場合には、この燃料噴射量マップを参照し、アクセルポジションセンサー信号(ドライバ要求トルク)と、エアフローメータ信号(吸入空気量)に基づいて、要求トルク及び空気量に対し決まるガス燃料の噴射量を減らし、それによる出力減少分に相当する量の液体燃料を液体燃料噴射弁42から噴射する。また、同時に、ECU100は、スロットル開度、点火時期についてもガス燃料と液体燃料の併用に応じて調整する。   Here, the ECU 100 has, for example, a fuel (gas fuel) injection amount map with respect to the required torque and mixture concentration set in advance. Therefore, when it is detected that the required discharge voltage exceeds the limit voltage, this fuel injection amount map is referred to and based on the accelerator position sensor signal (driver required torque) and the air flow meter signal (intake air amount). Thus, the injection amount of the gas fuel determined with respect to the required torque and the air amount is reduced, and an amount of liquid fuel corresponding to the reduction in output is injected from the liquid fuel injection valve. At the same time, the ECU 100 adjusts the throttle opening and ignition timing according to the combined use of gas fuel and liquid fuel.

具体例2のように要求放電電圧を実際に測定することにより、各エンジンに固有の点火特性等に応じて、精度良く点火性の悪化を予測して、燃料使用量を最小限としながら確実に点火性を向上することができる。   By actually measuring the required discharge voltage as in Example 2, it is possible to accurately predict the deterioration of ignition performance according to the ignition characteristics specific to each engine, and to ensure that the amount of fuel used is minimized. The ignitability can be improved.

[具体例3]
図6は、具体例3に係る内燃機関の概略構成を示している。なお、既に説明した図面と対応する箇所には同一符号を付して説明を省略する。具体例1では液体燃料を吸気管120に噴射弁42から噴射しているが、実施例3では、気筒110内に液体燃料噴射弁50を設け、液体燃料供給系40からの液体燃料を気筒内110に直接噴射している。液体燃料の噴射タイミングは、圧縮行程の後半が好適である。
[Specific Example 3]
FIG. 6 shows a schematic configuration of the internal combustion engine according to the third specific example. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the location corresponding to drawing already demonstrated, and description is abbreviate | omitted. In the first specific example, the liquid fuel is injected into the intake pipe 120 from the injection valve 42. However, in the third embodiment, the liquid fuel injection valve 50 is provided in the cylinder 110, and the liquid fuel from the liquid fuel supply system 40 is supplied into the cylinder. 110 is injected directly. The liquid fuel injection timing is preferably in the latter half of the compression stroke.

液体燃料をガス燃料と併用するかどうかの判断は、上記具体例1のように予め条件に対して決められた燃料噴射マップに基づいて行っても良いし、上記具体例2において説明したように、点火プラグの要求放電電圧を実際に検出し、この電圧が設計電圧を超えた場合に、ガス燃料と液体燃料との併用を実行してもよい。具体例2の方法を採用する場合には、ECU100が、要求放電電圧が設計電圧を超えたと判断すると、要求トルクに対応するガス燃料噴射量を減らし、それによる出力減少分に相当する量の液体燃料を、液体燃料噴射弁50から、圧縮行程後半に気筒110内に供給する。   The determination as to whether or not the liquid fuel is used in combination with the gas fuel may be made based on a fuel injection map that is determined in advance as in the first specific example, or as described in the second specific example. When the required discharge voltage of the spark plug is actually detected and this voltage exceeds the design voltage, the combined use of gas fuel and liquid fuel may be executed. When the method of the second specific example is employed, if the ECU 100 determines that the required discharge voltage exceeds the design voltage, the gas fuel injection amount corresponding to the required torque is reduced, and an amount of liquid corresponding to the output decrease due to the reduction. Fuel is supplied from the liquid fuel injection valve 50 into the cylinder 110 in the latter half of the compression stroke.

気筒内への直接噴射の方式としては、より具体的には、図7又は図8に示すような方式を採用することができる。図7では、噴射弁52から点火プラグ140の設置付近に向けて少量の液体燃料を噴射し、点火プラグ140の近傍に、積極的に液体燃料と空気との混合気層を形成する。   More specifically, a method as shown in FIG. 7 or 8 can be adopted as a method of direct injection into the cylinder. In FIG. 7, a small amount of liquid fuel is injected from the injection valve 52 toward the vicinity of the installation of the ignition plug 140, and an air-fuel mixture layer of liquid fuel and air is positively formed in the vicinity of the ignition plug 140.

図8では、液体燃料を噴射弁54から、一旦ピストン114の上面付近に向けて少量噴射する。噴射された液体燃料はピストン114の上面に衝突し、液体燃料と空気との混合気領域は気体の分散作用により拡大するが、ガス燃料と空気との混合気領域とは完全に混ざることなく、圧縮行程で上昇するピストン114と共に点火プラグ140の近傍に移動する。図8の方式では、液体燃料−空気混合気領域は、図7と比較すると大きく、この液体燃料−空気混合気領域における液体燃料濃度は、同一量の液体燃料を筒内に噴射した場合、図7の場合よりも低くなる。このため図7の方式の方が、点火性改善のために用いる液体燃料量を少なくすることができる。一方、図8の方式では、点火プラグ140への到達までに噴射した液体燃料の分散及び気化が進むため、点火プラグ140の周辺において均一な液体燃料−空気混合気領域を生成でき、安定した点火性を実現できる。なお、図8のような直接噴射方式の場合、ピストン114の上面の形状などを改良することで、必要な液体燃料噴射量をさらに低減することが可能である。   In FIG. 8, a small amount of liquid fuel is once injected from the injection valve 54 toward the upper surface of the piston 114. The injected liquid fuel collides with the upper surface of the piston 114, and the mixture region of the liquid fuel and air is expanded by the gas dispersion action, but the mixture region of the gas fuel and air is not completely mixed. It moves to the vicinity of the spark plug 140 together with the piston 114 that rises in the compression stroke. In the system of FIG. 8, the liquid fuel-air mixture region is larger than that in FIG. 7, and the liquid fuel concentration in this liquid fuel-air mixture region is as shown in FIG. It becomes lower than the case of 7. For this reason, the method of FIG. 7 can reduce the amount of liquid fuel used for ignitability improvement. On the other hand, in the system shown in FIG. 8, since the liquid fuel injected and dispersed until reaching the spark plug 140 progresses, a uniform liquid fuel-air mixture region can be generated around the spark plug 140 and stable ignition can be achieved. Can be realized. In the case of the direct injection method as shown in FIG. 8, the required amount of liquid fuel injection can be further reduced by improving the shape of the upper surface of the piston 114 and the like.

図7及び図8のいずれの構成によっても、結果的には点火プラグ140の近傍に、選択的に液体燃料と空気との混合気層が形成されるため、点火プラグ140の周辺において放電電圧を低下させ、混合気の点火性を向上することができる。このように具体例3によれば、点火プラグ140の近傍に、選択的かつ効果的に、液体燃料と空気との混合気層が形成を形成でき、図3に示すような吸気ポート付近に液体燃料を噴射する方式よりも、少量の液体燃料噴射量によって点火性を改善することができる。   7 and 8, as a result, an air-fuel mixture layer of liquid fuel and air is selectively formed in the vicinity of the spark plug 140, so that a discharge voltage is generated around the spark plug 140. It is possible to improve the ignitability of the air-fuel mixture. As described above, according to the third specific example, an air-fuel mixture layer of liquid fuel and air can be selectively and effectively formed in the vicinity of the spark plug 140, and the liquid in the vicinity of the intake port as shown in FIG. The ignition performance can be improved with a small amount of liquid fuel injection, compared to the fuel injection method.

なお、ガス燃料についても、気筒110内に直接噴射する方式を採用することで、ガス燃料についても使用量を低減し、さらなる燃費向上を図ることができる。気筒110内に直接ガスを噴射する場合、効率的に噴射するには噴射するガス圧が高いことが要求されるので、ガス燃料タンクにおける圧力が低い場合には、ポンプ部において加圧してガス燃料噴射弁から筒内に直接噴射することが必要である。なお、例えばLPGなどのように高圧状態でタンク内にガス燃料が保持されている場合には、特別な加圧手段を設けることなく、気筒110内にガス燃料を直接噴射することができる。   In addition, by adopting a method in which gas fuel is directly injected into the cylinder 110, it is possible to reduce the amount of gas fuel used and further improve fuel efficiency. When the gas is directly injected into the cylinder 110, a high gas pressure is required for efficient injection. Therefore, when the pressure in the gas fuel tank is low, the gas fuel is pressurized by the pump unit. It is necessary to inject directly into the cylinder from the injection valve. In addition, when gaseous fuel is hold | maintained in a tank in a high pressure state like LPG etc., gaseous fuel can be directly injected in the cylinder 110, without providing a special pressurization means.

[具体例4]
次に、改質ガスを用いるエンジンの全体的なシステム概略図を図9及び図10にそれぞれ示す。上記各具体例において説明した液体燃料として、ガソリン等の液体炭化水素燃料を採用した場合、炭化水素燃料を改質することで水素と一酸化炭素を主成分とする混合ガス(改質ガス)を得ることができる。なお、以下では炭化水素燃料としてガソリンを例に説明する。
[Specific Example 4]
Next, an overall system schematic diagram of the engine using the reformed gas is shown in FIGS. 9 and 10, respectively. When a liquid hydrocarbon fuel such as gasoline is employed as the liquid fuel described in each of the above specific examples, a mixed gas (reformed gas) mainly composed of hydrogen and carbon monoxide is obtained by reforming the hydrocarbon fuel. Obtainable. Hereinafter, gasoline will be described as an example of the hydrocarbon fuel.

図9及び図10のいずれのシステムでも、ガソリン供給系40のガソリンタンクの他に水タンク200を備え、ガソリンタンクに蓄えられたガソリンはポンプ216で汲み上げて流量制御弁214を介して蒸発器220に送り、同時に水タンク200から水をポンプ210で汲み上げ、流量制御弁212を介して蒸発器220に送っている。蒸発器220では、図9では加熱ヒータ222によって、図10では排気熱の熱交換器250によって加熱されており、蒸発器220において、ガソリンと水とを蒸発させる。蒸発したガソリン及び水の混合気体は、改質器230に送られる。改質器230は、図9では加熱ヒータ232、図10では熱交換器260によって加熱されている。ここで、ガソリンと水から水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成するための改質反応は吸熱反応であるため、改質器230を加熱することによって、改質反応を進めている。   9 and 10, a water tank 200 is provided in addition to the gasoline tank of the gasoline supply system 40, and the gasoline stored in the gasoline tank is pumped up by a pump 216, and the evaporator 220 is passed through the flow control valve 214. At the same time, water is pumped from the water tank 200 by the pump 210 and sent to the evaporator 220 via the flow rate control valve 212. The evaporator 220 is heated by the heater 222 in FIG. 9 and by the exhaust heat heat exchanger 250 in FIG. 10, and the evaporator 220 evaporates gasoline and water. The evaporated gas and water mixture is sent to the reformer 230. The reformer 230 is heated by a heater 232 in FIG. 9 and a heat exchanger 260 in FIG. Here, since the reforming reaction for generating reformed gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide from gasoline and water is an endothermic reaction, the reforming reaction is advanced by heating the reformer 230. ing.

改質器230の後ろには、図9及び図10のいずれにおいても、凝縮器234が設けられており、この凝縮器234によって、改質ガス中の余分な水蒸気を取り除かれている。なお、凝縮器234とガス燃料タンクとの間にはポンプ236が設けられており、凝縮器234で得られた改質ガスをポンプ236で汲み上げてガス燃料タンクに供給している。   9 and 10, a condenser 234 is provided behind the reformer 230, and excess water vapor in the reformed gas is removed by the condenser 234. A pump 236 is provided between the condenser 234 and the gas fuel tank, and the reformed gas obtained by the condenser 234 is pumped up by the pump 236 and supplied to the gas fuel tank.

このようにガソリン燃料から改質ガスを生成し、得られた改質ガスをエンジンの燃料として用いる場合、内燃機関には、ガソリン燃料も改質ガス燃料も存在している。したがって、このような改質ガスを主燃料とする内燃機関において、改質ガス燃料の点火性が悪化した際に、ガソリン燃料を点火アシスト燃料として用いるのであれば、アシスト燃料の供給システムを特別に搭載する必要はなく、液体のアシスト燃料を噴射する噴射弁を設け、また、ECUが噴射量、噴射タイミングなどを制御して点火性の向上を図ることができる。   When reformed gas is generated from gasoline fuel in this way and the obtained reformed gas is used as engine fuel, the internal combustion engine has both gasoline fuel and reformed gas fuel. Therefore, in such an internal combustion engine using reformed gas as a main fuel, if gasoline fuel is used as an ignition assist fuel when the ignitability of the reformed gas fuel deteriorates, a special assist fuel supply system is used. There is no need to install the fuel injection valve, and an injection valve for injecting liquid assist fuel is provided, and the ECU can control the injection amount, the injection timing, and the like to improve the ignitability.

また、改質ガス燃料と空気との混合気の要求放電電圧が限界電圧を超える場合にガソリン燃料を併用して要求放電電圧を低下させることができる。従って、ガス燃料用に高電圧を印加可能な点火プラグ140を採用せずに、例えばガソリンエンジンに採用されているような、ガス燃料用プラグと比較して限界電圧の低い点火プラグをそのまま利用することも可能である。   In addition, when the required discharge voltage of the mixture of reformed gas fuel and air exceeds the limit voltage, the required discharge voltage can be reduced by using gasoline fuel together. Therefore, without using the spark plug 140 capable of applying a high voltage for gas fuel, for example, an ignition plug having a lower limit voltage as compared with a gas fuel plug as used in a gasoline engine is used as it is. It is also possible.

さらに、上記のようにガソリン燃料を改質して得た改質ガスでは、生成環境などに応じて改質ガスの組成が大きく変化する。そして、ガス組成が変化すると、それに応じて点火プラグの要求放電電圧も変化する。よって、改質ガスを燃料とする内燃機関の点火プラグとしては、最も点火性の悪い組成のガスを希薄燃焼させ、かつ要求トルクが最大であるような場合に想定される要求放電電圧を確実に印加可能な構成が要求される。しかし、本実施形態のように、要求放電電圧が高くなる状況の場合には、ガソリン燃料を併用してその要求放電電圧を低下させれば、低コストの点火プラグを用いて、様々な使用環境下においても確実に内燃機関を動作させることが可能となる。このため開発コスト及び製造コストの低減の上でも有利である。   Furthermore, in the reformed gas obtained by reforming gasoline fuel as described above, the composition of the reformed gas varies greatly depending on the production environment and the like. When the gas composition changes, the required discharge voltage of the spark plug changes accordingly. Therefore, as an ignition plug for an internal combustion engine that uses reformed gas as a fuel, the required discharge voltage that is expected when the required torque is the maximum when the gas with the poorest ignitability composition is burned leanly and the required torque is maximum is ensured. An applicationable configuration is required. However, in the situation where the required discharge voltage is high as in the present embodiment, if the required discharge voltage is reduced by using gasoline fuel together, a low-cost spark plug can be used for various usage environments. It is possible to reliably operate the internal combustion engine even underneath. For this reason, it is advantageous also in the reduction of development cost and manufacturing cost.

なお、図9及び図10では、具体例1で説明したように、ガソリン燃料及び改質ガス燃料のいずれも吸気管120の吸気ポート付近に噴射しているが、具体例3に示したように、ガソリン燃料を筒内に直接噴射する方法を採用することもでき、この場合、燃料噴射弁42は、図6に示したように筒内110に取り付ける。もちろん、改質ガス燃料についても筒内に直接噴射する方法を採用することもできる。   9 and 10, as described in the specific example 1, both the gasoline fuel and the reformed gas fuel are injected near the intake port of the intake pipe 120, but as illustrated in the specific example 3. In addition, a method of directly injecting gasoline fuel into the cylinder may be employed. In this case, the fuel injection valve 42 is attached to the cylinder 110 as shown in FIG. Of course, a method of directly injecting the reformed gas fuel into the cylinder can also be adopted.

本実施形態に係る点火プラグの要求放電電圧と混合気当量比との高負荷条件下での関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship under the high load conditions of the required discharge voltage of the ignition plug which concerns on this embodiment, and air-fuel | gaseous-equivalent ratio. 本実施形態に係る点火プラグの要求放電電圧と混合気当量比との低負荷条件下での関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship under the low load conditions of the required discharge voltage and mixture ratio of the spark plug which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る具体例1の内燃機関の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the internal combustion engine of the specific example 1 which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る具体例1で採用可能なECUに設定される燃料噴射量マップの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the fuel injection amount map set to ECU which can be employ | adopted by the specific example 1 which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る具体例2の点火装置及び要求放電電圧の検出部の概略等価回路を示す図である。It is a figure which shows the schematic equivalent circuit of the ignition device of the specific example 2 which concerns on this embodiment, and the detection part of a request | required discharge voltage. 本実施形態に係る具体例3の内燃機関の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the internal combustion engine of the specific example 3 which concerns on this embodiment. 図6に示す燃料の筒内直接噴射の一、例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of direct in-cylinder injection of fuel shown in FIG. 6. 図6に示す燃料の筒内直接噴射の図7とは異なる例を示す図である。It is a figure which shows the example different from FIG. 7 of the direct injection of the fuel shown in FIG. 本実施形態に係る具体例4の内燃機関の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the internal combustion engine of the specific example 4 which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る具体例4の内燃機関の構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of the internal combustion engine of the specific example 4 which concerns on this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 内燃機関、30 主燃料(ガス燃料)供給系、32 主燃料(ガス燃料)噴射弁、40 液体燃料(ガソリン)供給系、42 液体燃料(ガソリン)噴射弁、100 ECU(エンジン制御部)、110 気筒、114 ピストン、120 吸気管、122 スロットルバルブ、124 吸気弁、126 排気弁、128 排気触媒、130 排気管、140 点火プラグ、200 水タンク、210,216,236 ポンプ、212,214 流量制御弁、220 蒸発器、222,232 加熱ヒータ、230 改質器、234 凝縮器、250,260 熱交換器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine, 30 Main fuel (gas fuel) supply system, 32 Main fuel (gas fuel) injection valve, 40 Liquid fuel (gasoline) supply system, 42 Liquid fuel (gasoline) injection valve, 100 ECU (engine control part), 110 cylinder, 114 piston, 120 intake pipe, 122 throttle valve, 124 intake valve, 126 exhaust valve, 128 exhaust catalyst, 130 exhaust pipe, 140 spark plug, 200 water tank, 210, 216, 236 pump, 212, 214 flow control Valve, 220 Evaporator, 222, 232 Heater, 230 Reformer, 234 Condenser, 250, 260 Heat exchanger.

Claims (7)

主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、
前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、
前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、
エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、を備え、
エンジン制御部が、ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかを判断し、前記適性範囲外に到達すると予測した時には、前記ガス燃料に加えて前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給することを特徴とする内燃機関。
An internal combustion engine using gas fuel as the main fuel,
A gas injection valve for supplying the gas fuel to the engine;
A liquid injection valve for supplying liquid fuel to the engine;
An ignition plug that performs spark ignition on the air-fuel mixture in the engine cylinder,
When the engine control unit determines whether or not the ignitability by the gas fuel is in the proper range and predicts that the gas fuel is outside the proper range, the liquid fuel is supplied to the engine as an ignition auxiliary fuel in addition to the gas fuel. An internal combustion engine characterized by the above.
請求項1に記載の内燃機関において、
前記エンジン制御部は、点火プラグの要求放電電圧が所定電圧を超えるかどうかを、予め設定した燃料噴射量の所定の関係マップ、または前記要求放電電圧の検出値に基づいて判断し、前記ガス燃料による点火性の適性範囲外への到達を予測することを特徴とする内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 1,
The engine control unit determines whether the required discharge voltage of the spark plug exceeds a predetermined voltage based on a predetermined relationship map of a predetermined fuel injection amount or a detected value of the required discharge voltage, and the gas fuel An internal combustion engine characterized by predicting that the ignitability is out of an appropriate range due to the engine.
主燃料としてガス燃料を用いる火花点火内燃機関であって、
前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、
前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、
エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、を備え、
エンジン制御部が、点火プラグの要求放電電圧の限界電圧を考慮した要求トルク及び混合気濃度に対する燃料噴射量の関係マップを有し、該関係マップに基づいて、前記要求放電電圧が前記限界放電電圧を超える領域と判定されると、前記ガス燃料に加えて前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給することを特徴とする内燃機関。
A spark ignition internal combustion engine using gas fuel as a main fuel,
A gas injection valve for supplying the gas fuel to the engine;
A liquid injection valve for supplying liquid fuel to the engine;
An ignition plug that performs spark ignition on the air-fuel mixture in the engine cylinder,
The engine control unit has a relationship map of the fuel injection amount with respect to the required torque and the mixture concentration in consideration of the limit voltage of the required discharge voltage of the spark plug, and based on the relationship map, the required discharge voltage is determined to be the limit discharge voltage. An internal combustion engine characterized by supplying the liquid fuel to the engine as an ignition auxiliary fuel in addition to the gas fuel.
主燃料としてガス燃料を用いる火花点火内燃機関であって、
前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、
前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、
エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、
前記点火プラグの点火時の要求放電電圧を検出する検出部と、備え、
検出した前記要求放電電圧が、前記点火プラグの限界電圧を超えると、前記ガス燃料に加えてさらに前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給することを特徴とする内燃機関。
A spark ignition internal combustion engine using gas fuel as a main fuel,
A gas injection valve for supplying the gas fuel to the engine;
A liquid injection valve for supplying liquid fuel to the engine;
A spark plug that performs spark ignition on the air-fuel mixture in the engine cylinder;
A detection unit for detecting a required discharge voltage at the time of ignition of the spark plug; and
When the detected required discharge voltage exceeds a limit voltage of the spark plug, the liquid fuel is further supplied to the engine as an ignition auxiliary fuel in addition to the gas fuel.
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記液体燃料は、エンジン気筒内に直接噴射することを特徴とする内燃機関。
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4,
The internal combustion engine, wherein the liquid fuel is directly injected into an engine cylinder.
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記ガス燃料と前記液体燃料との併用時には、ガス燃料噴射量を低減し、該ガス燃料噴射量の低減に応じて減少する出力相当量の液体燃料を噴射することを特徴とする内燃機関。
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5,
An internal combustion engine characterized in that when the gas fuel and the liquid fuel are used together, the gas fuel injection amount is reduced, and an amount of liquid fuel corresponding to an output that decreases in accordance with the reduction of the gas fuel injection amount is injected.
請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記ガス燃料は、前記液体燃料を改質して得た改質ガス燃料であることを特徴とする内燃機関。
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6,
The internal combustion engine, wherein the gas fuel is a reformed gas fuel obtained by reforming the liquid fuel.
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