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JP6031431B2 - Intake control device for internal combustion engine - Google Patents

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JP6031431B2
JP6031431B2 JP2013242879A JP2013242879A JP6031431B2 JP 6031431 B2 JP6031431 B2 JP 6031431B2 JP 2013242879 A JP2013242879 A JP 2013242879A JP 2013242879 A JP2013242879 A JP 2013242879A JP 6031431 B2 JP6031431 B2 JP 6031431B2
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幸平 元尾
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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室への吸気を制御する装置に関し、詳細には、燃焼室に直接噴射した燃料が圧縮自着火燃焼するように構成された内燃機関の燃焼室に気体燃料を吸入する内燃機関の吸気制御装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for controlling intake air into a combustion chamber of an internal combustion engine, and more specifically, sucks gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine configured to perform compression auto-ignition combustion of fuel directly injected into the combustion chamber. The present invention relates to an intake control device for an internal combustion engine.

従来、燃焼室に直接噴射した燃料を圧縮自着火燃焼させるように構成された内燃機関(圧縮自着火型の内燃機関)において、燃焼エネルギー(発熱量)を増加させるために、燃焼室に直接噴射する燃料とは別に気体燃料を吸入する技術が知られている(特許文献1参照)。   Conventionally, in an internal combustion engine (compression self-ignition type internal combustion engine) configured to perform compression auto-ignition combustion of fuel directly injected into the combustion chamber, in order to increase combustion energy (heat generation amount), direct injection into the combustion chamber In addition to the fuel to be used, a technique for sucking gaseous fuel is known (see Patent Document 1).

例えば特許文献1の発明は、単位量当たりの燃料から出力される燃焼エネルギーが増加するよう、燃料の性状を触媒上で改質する改質器を備える。そして、改質器で改質された改質燃料(気体燃料)を排気ポートに噴射して、排気口から排気ガスとともに燃焼室内の内周面に沿って環状に、つまり燃焼室の外周領域に吸入する。また、改質されていない非改質燃料を燃焼室の中央領域に直接噴射する。そして、非改質燃料は圧縮自着火燃焼させ、改質燃料は非改質燃料の燃焼を火種として着火燃焼させている。これによれば、燃料を改質するにあたり、自着火性低下の問題を解消し、燃焼熱がシリンダ壁面から逃げていくことによる熱損失、つまり冷損を低減できるとしている。   For example, the invention of Patent Document 1 includes a reformer that reforms the properties of the fuel on the catalyst so that the combustion energy output from the fuel per unit amount increases. Then, the reformed fuel (gaseous fuel) reformed by the reformer is injected into the exhaust port and is annularly formed along the inner peripheral surface of the combustion chamber together with the exhaust gas from the exhaust port, that is, in the outer peripheral region of the combustion chamber. Inhale. Further, unreformed non-reformed fuel is directly injected into the central region of the combustion chamber. The non-reformed fuel is compressed and ignited and combusted, and the reformed fuel is ignited and combusted using the non-reformed fuel as a fire. According to this, when reforming the fuel, the problem of reduction in self-ignitability is solved, and heat loss, that is, cooling loss due to combustion heat escaping from the cylinder wall surface can be reduced.

特開2013−104364号公報JP2013-104364A

しかしながら、特許文献1の構成では、非改質燃料による高温燃焼は燃焼室の外周領域から離れた中央領域で生じるので、外周領域で高温燃焼をする場合に比べて冷損は低減できるものの、中央領域の温度は高温であるので、冷損の低減効果は依然として不十分であるという問題点がある。   However, in the configuration of Patent Document 1, high-temperature combustion by the non-reformed fuel occurs in a central region away from the outer peripheral region of the combustion chamber, so that the cooling loss can be reduced as compared with the case of high-temperature combustion in the outer peripheral region. Since the temperature of the region is high, there is a problem that the effect of reducing the cooling loss is still insufficient.

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、燃焼室に燃料を直接噴射してその燃料を圧縮自着火燃焼させるように構成された内燃機関の燃焼室に気体燃料を吸入するとともに、冷損を十分に低減できる内燃機関の吸気制御装置を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and injects gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine configured to inject fuel directly into the combustion chamber and cause the fuel to undergo compression auto-ignition combustion. It is an object of the present invention to provide an intake control device for an internal combustion engine that can sufficiently reduce the cooling loss.

上記課題を解決するための、本発明は、燃焼室を有し、その燃焼室に燃料を直接噴射してその燃料を圧縮自着火燃焼させるように構成された内燃機関の前記燃焼室の外周領域に第1ガスを吸入し、前記外周領域の内側の中央領域に第2ガスを吸入する内燃機関の吸気制御装置であって、
前記第1ガスを、前記内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気ガスであるEGRガスの濃度が前記第2ガスよりも希薄な空気であるEGRリーンガスとし、
前記第2ガスを、前記EGRガスの濃度が前記第1ガスよりも濃厚な空気であるEGRリッチガスと気体燃料とを含んだガスとしたことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a combustion chamber and an outer peripheral region of the combustion chamber of an internal combustion engine configured to inject fuel directly into the combustion chamber and to perform compression auto-ignition combustion of the fuel. An intake control device for an internal combustion engine that sucks the first gas into the central region inside the outer peripheral region,
The first gas is an EGR lean gas in which the concentration of EGR gas, which is exhaust gas recirculated from the exhaust system of the internal combustion engine to the intake system, is leaner than that of the second gas,
The second gas may be a gas containing an EGR rich gas, which is air having a higher concentration of the EGR gas than the first gas, and a gaseous fuel.

本発明によれば、特許文献1と同様に、燃焼室の外周領域と中央領域との間でガスを成層分布させるが、外周領域、中央領域に吸入する各ガス(第1ガス、第2ガス)は、本発明と特許文献1とで異なっている。具体的には、本発明では、燃焼室の外周領域にEGRガス(排気ガス)が希薄な空気であるEGRリーンガス(第1ガス)を吸入し、中央領域にEGRガスが濃厚な空気であるEGRリッチガスと気体燃料とを含んだガス(第2ガス)を吸入する。これによって、圧縮自着火燃焼したときに高温となる中央領域の酸素濃度を外周領域よりも低くすることができ、外周領域にEGRリッチガス、中央領域にEGRリーンガスを吸入した場合に比べて、中央領域の燃焼温度を下げることができる。また、本発明では、中央領域に気体燃料を吸入するので、外周領域に吸入する場合に比べて、気体燃料の着火性を向上できるとともに、着火した気体燃料の火炎が燃焼室の外周壁から逃げてしまうのを低減できる。ゆえに、本発明では冷損を十分に低減できる。なお、本明細書におけるEGRリーンガスには、EGRガスの濃度がゼロの場合、つまり新気のみの場合も含む趣旨である。   According to the present invention, similarly to Patent Document 1, gas is stratified between the outer peripheral region and the central region of the combustion chamber, but each gas (first gas, second gas) sucked into the outer peripheral region and the central region is used. ) Is different between the present invention and Patent Document 1. Specifically, in the present invention, EGR lean gas (first gas) in which EGR gas (exhaust gas) is lean air is sucked into the outer peripheral region of the combustion chamber, and EGR gas in which EGR gas is rich in the central region. A gas (second gas) containing rich gas and gaseous fuel is sucked. As a result, the oxygen concentration in the central region, which becomes high when compressed auto-ignition combustion is performed, can be made lower than that in the outer peripheral region. Compared to the case where EGR rich gas is sucked into the outer peripheral region and EGR lean gas is sucked into the central region, The combustion temperature can be lowered. Further, in the present invention, since the gaseous fuel is sucked into the central region, the ignitability of the gaseous fuel can be improved as compared with the case of sucking into the outer peripheral region, and the ignited gaseous fuel flame escapes from the outer peripheral wall of the combustion chamber. Can be reduced. Therefore, the present invention can sufficiently reduce the cooling loss. Note that the EGR lean gas in the present specification includes the case where the concentration of the EGR gas is zero, that is, the case of only fresh air.

エンジンシステム1の構成図である。1 is a configuration diagram of an engine system 1. FIG. 気筒11の断面図である。2 is a sectional view of a cylinder 11. FIG. 改質器73の概略構成を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a reformer 73. 変形例に係るエンジンシステム2の構成図である。It is a block diagram of the engine system 2 which concerns on a modification. EGRリーンガス通路22の一部と、EGRリッチガス通路25の一部を抜き出した図である。FIG. 3 is a diagram in which a part of an EGR lean gas passage 22 and a part of an EGR rich gas passage 25 are extracted. 吸気バルブのリフト量の変化(図6(A))と、EGRリーンガスの吸気流量、EGRリッチガス及び気体燃料の吸気流量(図6(B))とを示した図である。It is the figure which showed the change of the lift amount of an intake valve (FIG. 6 (A)), and the intake flow rate of EGR lean gas, the intake flow rate of EGR rich gas, and gaseous fuel (FIG. 6 (B)). 燃焼室110に吸入されるガスの流れ(スワール流、タンブル流)を模式的に示した図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing the flow of gas (swirl flow, tumble flow) sucked into a combustion chamber 110. 燃焼室110の平面視断面図におけるガスの成層分布を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a gas stratification distribution in a cross-sectional plan view of a combustion chamber 110. 圧縮行程終了時における燃焼室の様子を示し、燃焼室の各部における排気濃度を色の濃淡で表した図である。It is the figure which showed the mode of the combustion chamber at the time of completion | finish of a compression stroke, and represented the exhaust concentration in each part of a combustion chamber by the color shading. 燃焼室の外周領域にEGRリーンガスを、中央領域にEGRリッチガス及び気体燃料を成層分布させた場合における燃焼温度を示した図である。It is the figure which showed the combustion temperature at the time of carrying out stratified distribution of EGR lean gas in the outer peripheral area | region of a combustion chamber, and EGR rich gas and gaseous fuel in the center area | region. 燃焼室の外周領域にEGRリッチガスを、中央領域にEGRリーンガス及び気体燃料を成層分布させた場合における燃焼温度を示した図である。It is the figure which showed the combustion temperature at the time of carrying out stratified distribution of EGR rich gas in the outer peripheral area | region of a combustion chamber, and EGR lean gas and gaseous fuel in the center area | region. 未成層と比較した冷却損失の低減割合を示した図である。It is the figure which showed the reduction rate of the cooling loss compared with the unstratified layer.

以下、本発明に係る内燃機関の吸気制御装置の実施形態を図面を参照しながら説明する。図1は、車両に搭載されたエンジンシステム1の構成図を示している。エンジンシステム1は、内燃機関としてのディーゼルエンジン10(以下、単にエンジンという)と、そのエンジン10の運転に必要な各種構成とを備える形で構成されている。なお、本実施形態では、エンジン10は、4つの気筒11(シリンダ)を有した4気筒エンジンである。エンジン10は、各気筒11において、吸気、圧縮、燃焼、排気の4行程を経て動力を生み出す4ストローク機関である。吸気、圧縮、燃焼、排気の4行程のよる燃焼サイクル(「720°CA」周期)が、例えば各気筒11間で「180°CA」ずらして逐次実行される。図1の右側の気筒11から順に1番から4番までの番号を付けたときに、例えば、1番、3番、4番、2番の気筒11の順に燃焼サイクルが実行される。   Embodiments of an intake air control apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration diagram of an engine system 1 mounted on a vehicle. The engine system 1 is configured to include a diesel engine 10 (hereinafter simply referred to as an engine) as an internal combustion engine and various configurations necessary for the operation of the engine 10. In the present embodiment, the engine 10 is a four-cylinder engine having four cylinders 11 (cylinders). The engine 10 is a four-stroke engine that generates power in each cylinder 11 through four strokes of intake, compression, combustion, and exhaust. A combustion cycle (“720 ° CA” cycle) of four strokes of intake, compression, combustion, and exhaust is sequentially executed with a shift of “180 ° CA” between the cylinders 11, for example. When numbers 1 to 4 are assigned in order from the cylinder 11 on the right side of FIG. 1, for example, the combustion cycles are executed in order of the cylinders 1, 3, 4, and 2.

図2は気筒11の断面図を示している。図2に示すように、気筒11は、気筒11の側壁を構成するシリンダブロック111とそのシリンダブロック111の上部に配置されたシリンダヘッド112とにより構成されている。シリンダブロック111にはウォータージャケット113が形成されており、ウォーターポンプ(図示外)から吐出される冷却水がウォータージャケット113内を循環して、シリンダブロック111を冷却している。また、気筒11内にはピストン16が収容されており、そのピストン16の往復運動により、エンジン10の出力軸であるクランク軸(図示外)が回転するようになっている。   FIG. 2 shows a cross-sectional view of the cylinder 11. As shown in FIG. 2, the cylinder 11 includes a cylinder block 111 that constitutes a side wall of the cylinder 11 and a cylinder head 112 that is disposed on the cylinder block 111. A water jacket 113 is formed in the cylinder block 111, and cooling water discharged from a water pump (not shown) circulates in the water jacket 113 to cool the cylinder block 111. Further, a piston 16 is accommodated in the cylinder 11, and a crankshaft (not shown) that is an output shaft of the engine 10 is rotated by the reciprocating motion of the piston 16.

そして、これらシリンダブロック111、シリンダヘッド112及ピストン16で囲まれた領域110を燃焼室として、その燃焼室110で圧縮自着火燃焼が行われるようになっている。すなわち、シリンダヘッド112の中心(燃焼室110の中央領域110bの直上)には燃焼室110に燃料(例えば軽油)を噴射するインジェクタ18が設けられており、そのインジェクタ18から噴射された燃料が燃焼室110で圧縮自着火燃焼する。   Then, an area 110 surrounded by the cylinder block 111, the cylinder head 112 and the piston 16 is used as a combustion chamber, and compression self-ignition combustion is performed in the combustion chamber 110. That is, an injector 18 that injects fuel (for example, light oil) into the combustion chamber 110 is provided at the center of the cylinder head 112 (immediately above the central region 110b of the combustion chamber 110), and the fuel injected from the injector 18 burns. In the chamber 110, compression self-ignition combustion occurs.

各気筒11には、燃焼室110に吸入される吸入空気(ガス)の導入口となる吸気ポートとして、スワール生成ポート12とタンブル生成ポート13の2つの吸気ポートが形成されている。それら吸気ポート12、13はシリンダヘッド112内に形成されている。スワール生成ポート12は、スワール生成ポート12から燃焼室110に吸入されるガスにスワール流(横渦)を生じさせる吸気ポートである。タンブル生成ポート13は、タンブル生成ポート13から燃焼室110に吸入されるガスにタンブル流(縦渦)を生じさせる吸気ポートである。   In each cylinder 11, two intake ports, a swirl generation port 12 and a tumble generation port 13, are formed as intake ports that serve as inlets for intake air (gas) sucked into the combustion chamber 110. These intake ports 12 and 13 are formed in the cylinder head 112. The swirl generation port 12 is an intake port that generates a swirl flow (lateral vortex) in the gas sucked into the combustion chamber 110 from the swirl generation port 12. The tumble generation port 13 is an intake port that generates a tumble flow (longitudinal vortex) in the gas sucked into the combustion chamber 110 from the tumble generation port 13.

また、各吸気ポート12、13と燃焼室110とを繋ぐ開口には、その開口の開閉を行う吸気バルブ14が設けられている。また、シリンダヘッド112内には、燃焼室110での燃焼後のガスを燃焼室110から排出する排気ポート17が形成されている。その排気ポート17と燃焼室110との繋ぐ開口にはその開口の開閉を行う排気バルブ15が設けられている。   In addition, an intake valve 14 that opens and closes the opening is provided at an opening connecting each intake port 12, 13 and the combustion chamber 110. In the cylinder head 112, an exhaust port 17 for discharging the gas after combustion in the combustion chamber 110 from the combustion chamber 110 is formed. An exhaust valve 15 for opening and closing the opening is provided at an opening connecting the exhaust port 17 and the combustion chamber 110.

図1に示すように、エンジンシステム1には、燃焼室110に吸入される新気が流れる吸気通路21が設けられている。その吸気通路21には、上流側から、新気を圧縮する過給器31、過給器31で圧縮された新気を冷却するインタークーラ32が設けられている。また、インタークーラ32より下流の吸気通路21には、新規量を調整するスロットル33が設けられている。そのスロットル33より下流の吸気通路21から、各気筒11に繋がる通路22(インテークマニホールドの通路。以下、EGRリーンガス通路という)が分岐している。各EGRリーンガス通路22は各気筒11のスワール生成ポート12に接続されている。EGRリーンガス通路22及び吸気通路21には、新気のみ又は新気にEGRバルブ41の開度に応じたEGRガスや後述する接続通路29から流入するEGRガスが混ざったガス(以下、EGRリーンガスという)が流れる。   As shown in FIG. 1, the engine system 1 is provided with an intake passage 21 through which fresh air drawn into the combustion chamber 110 flows. The intake passage 21 is provided with a supercharger 31 that compresses fresh air and an intercooler 32 that cools the fresh air compressed by the supercharger 31 from the upstream side. A throttle 33 for adjusting a new amount is provided in the intake passage 21 downstream of the intercooler 32. From the intake passage 21 downstream of the throttle 33, a passage 22 (an intake manifold passage, hereinafter referred to as an EGR lean gas passage) connected to each cylinder 11 is branched. Each EGR lean gas passage 22 is connected to the swirl generation port 12 of each cylinder 11. In the EGR lean gas passage 22 and the intake passage 21, only fresh air or fresh air is mixed with an EGR gas corresponding to the opening of the EGR valve 41 or an EGR gas flowing from a connection passage 29 described later (hereinafter referred to as EGR lean gas). ) Flows.

また、各気筒11には、各気筒11から排出される排気ガスをまとめて排気通路27に渡すためのエキゾーストマニホールド23が接続されている。なお、排気通路27には、上流側から、排気ガスからエネルギーを回収する過給器のタービン37(可変ノズルターボ(VNT))、排気ガスに対して所定の処理を行う後処理装置38、排気ガスの流量を調整する排気絞り弁39がこの順で配置されている。後処理装置38は、排気ガス中のCO、HC等を酸化して除去する酸化触媒や排気ガス中のPMを除去するDPFなどである。   Each cylinder 11 is connected to an exhaust manifold 23 for collectively passing exhaust gas discharged from each cylinder 11 to the exhaust passage 27. The exhaust passage 27 includes a turbocharger turbine 37 (variable nozzle turbo (VNT)) for recovering energy from the exhaust gas, a post-processing device 38 for performing a predetermined process on the exhaust gas, and an exhaust gas. An exhaust throttle valve 39 for adjusting the gas flow rate is arranged in this order. The post-processing device 38 is an oxidation catalyst that oxidizes and removes CO, HC, and the like in the exhaust gas, and a DPF that removes PM in the exhaust gas.

後処理装置38より下流の排気通路27に一端が接続され、他端が過給器31よりも上流にて吸気通路21に接続された低圧EGR通路28が設けられている。そして、この低圧EGR通路28を介して、VNT37通過後の排気ガスの一部が吸気通路21に還流されるようになっている。低圧EGR通路28には、その低圧EGR通路28を流れるEGRガスを冷却する低圧EGRクーラ40や、そのEGRガスの流量を調整する低圧EGRバルブ41が設けられている。なお、これら低圧EGR通路28、低圧EGRクーラ40及び低圧EGRバルブ41を有した低圧EGRシステムが備えられていなくても良い。この場合には、吸気通路21には新気のみが流れることになる。   A low pressure EGR passage 28 having one end connected to the exhaust passage 27 downstream from the post-processing device 38 and the other end connected to the intake passage 21 upstream from the supercharger 31 is provided. A part of the exhaust gas after passing through the VNT 37 is recirculated to the intake passage 21 through the low pressure EGR passage 28. The low pressure EGR passage 28 is provided with a low pressure EGR cooler 40 that cools the EGR gas flowing through the low pressure EGR passage 28 and a low pressure EGR valve 41 that adjusts the flow rate of the EGR gas. The low pressure EGR system including the low pressure EGR passage 28, the low pressure EGR cooler 40, and the low pressure EGR valve 41 may not be provided. In this case, only fresh air flows through the intake passage 21.

エキゾーストマニホールド23には、排気ガスの一部をEGRガスとして吸気系に還流させるための高圧EGR通路24が接続されている。その高圧EGR通路24には、高圧EGR通路24を流れるEGRガスを冷却する高圧EGRクーラ34や、その高圧EGRクーラ34より下流にはEGRガスの流量を調整する高圧EGRバルブ35が設けられている。その高圧EGRバルブ35より下流の高圧EGR通路24からは、各気筒11に繋がる通路25(以下、EGRリッチガス通路という)が分岐している。各EGRリッチガス通路25は、各気筒11のタンブル生成ポート13に接続されている。EGRリッチガス通路25には、EGRリーンガス通路22を流れるEGRリーンガスよりもEGRガスの濃度が濃い(排気濃度が高い、酸素濃度が低い)ガス(以下、EGRリッチガスという)が流れる。   The exhaust manifold 23 is connected to a high pressure EGR passage 24 for returning a part of the exhaust gas to the intake system as EGR gas. The high pressure EGR passage 24 is provided with a high pressure EGR cooler 34 that cools the EGR gas flowing through the high pressure EGR passage 24, and a high pressure EGR valve 35 that adjusts the flow rate of the EGR gas downstream from the high pressure EGR cooler 34. . From the high pressure EGR passage 24 downstream of the high pressure EGR valve 35, a passage 25 (hereinafter referred to as an EGR rich gas passage) connected to each cylinder 11 is branched. Each EGR rich gas passage 25 is connected to the tumble generation port 13 of each cylinder 11. In the EGR rich gas passage 25, a gas (hereinafter referred to as an EGR rich gas) having a higher concentration of EGR gas (a higher exhaust concentration and a lower oxygen concentration) than the EGR lean gas flowing through the EGR lean gas passage 22 flows.

また、エンジンシステム1には、吸気通路21と高圧EGR通路24とを接続する接続通路29が設けられている。その接続通路29は、EGRリーンガス通路22に分岐する前の吸気通路21と、EGRリッチガス通路25に分岐する前の高圧EGR通路24とを接続している。その接続通路29により、吸気通路21及びその下流のEGRリーンガス通路22を流れるガスの圧力と、高圧EGR通路24及びその下流のEGRリッチガス通路25を流れるガスの圧力とを同等にできる。その結果、燃焼室におけるEGRリーンガスとEGRリッチガスとの成層分布が乱れるのを抑制できる。   Further, the engine system 1 is provided with a connection passage 29 that connects the intake passage 21 and the high-pressure EGR passage 24. The connection passage 29 connects the intake passage 21 before branching to the EGR lean gas passage 22 and the high-pressure EGR passage 24 before branching to the EGR rich gas passage 25. With the connection passage 29, the pressure of the gas flowing through the intake passage 21 and the downstream EGR lean gas passage 22 can be made equal to the pressure of the gas flowing through the high pressure EGR passage 24 and the downstream EGR rich gas passage 25. As a result, the stratified distribution of the EGR lean gas and the EGR rich gas in the combustion chamber can be suppressed from being disturbed.

さらに、低圧EGR通路28から還流されるEGRガスやEGRリッチガス通路25を流れるEGRリッチガス(排気ガス)だけではEGR率の目標値(目標EGR率)を達成できない場合には、接続通路29を介して高圧EGR通路24から吸気通路21にEGRガスを流し、又は吸気通路21から高圧EGR通路24に新気を流すことで、目標EGR率を達成できるようになっている。すなわち、目標EGR率が高い場合には、接続通路29を介して高圧EGR通路24から吸気通路21にEGRガスを流して吸気通路21及びEGRリーンガス通路22を流れるEGRリーンガスのEGR濃度を高くすることで、EGR率を上げることができる。反対に目標EGR率が低い場合には、接続通路29を介して吸気通路21から高圧EGR通路24に新気を流して高圧EGR通路24及びEGRリッチガス通路25を流れるEGRリッチガスのEGR濃度を低くすることで、EGR率を下げることができる。なお、EGR率は、燃焼室に吸入されるEGRガス(排気ガス)の量を、燃焼室に吸入されるガスの総吸入量(新気の吸入量+EGRガスの吸入量+気体燃料の吸入量)で割った値である。   Further, when the EGR rate target value (target EGR rate) cannot be achieved only by the EGR gas recirculated from the low pressure EGR passage 28 or the EGR rich gas (exhaust gas) flowing through the EGR rich gas passage 25, the connection passage 29 is used. The target EGR rate can be achieved by flowing EGR gas from the high pressure EGR passage 24 to the intake passage 21 or flowing fresh air from the intake passage 21 to the high pressure EGR passage 24. That is, when the target EGR rate is high, the EGR gas flows from the high pressure EGR passage 24 to the intake passage 21 via the connection passage 29 to increase the EGR concentration of the EGR lean gas flowing through the intake passage 21 and the EGR lean gas passage 22. Thus, the EGR rate can be increased. On the other hand, when the target EGR rate is low, fresh air flows from the intake passage 21 to the high pressure EGR passage 24 via the connection passage 29 to lower the EGR concentration of the EGR rich gas flowing through the high pressure EGR passage 24 and the EGR rich gas passage 25. As a result, the EGR rate can be lowered. The EGR rate is defined as the amount of EGR gas (exhaust gas) sucked into the combustion chamber, the total amount of gas sucked into the combustion chamber (fresh air intake amount + EGR gas intake amount + gaseous fuel intake amount). ) Divided by.

また、エンジンシステム1には、燃焼室での燃焼エネルギーを増加させるために、インジェクタ18から燃焼室に直接噴射する燃料とは別に気体燃料(燃料ガス)を吸入するシステム(以下、気体燃料吸入システムという)が備えられている。その気体燃料吸入システムは、特許文献1と同様に、メタノール(CH3−OH)等の液体燃料(アルコール燃料)を、単位量当たりの燃料から出力される発熱量が増加するように、水素(H2)や一酸化炭素(CO)に改質し、その改質後の燃料(改質燃料、気体燃料)を燃焼室に吸入するシステムである。   The engine system 1 also includes a system for sucking gaseous fuel (fuel gas) separately from the fuel directly injected from the injector 18 into the combustion chamber in order to increase the combustion energy in the combustion chamber (hereinafter referred to as gaseous fuel suction system). Is provided). Similar to Patent Document 1, the gaseous fuel suction system uses liquid fuel (alcohol fuel) such as methanol (CH 3 —OH) such as hydrogen (H 2) so that the calorific value output from the fuel per unit amount increases. ) And carbon monoxide (CO), and the reformed fuel (reformed fuel, gaseous fuel) is sucked into the combustion chamber.

具体的には、気体燃料吸入システムは、改質前の燃料(例えばメタノール)を貯蔵する貯蔵部71と、その貯蔵部71と改質器73の間を繋ぐ通路72と、改質器73と、改質器73により改質された改質燃料(気体燃料)が流れる通路74とを備えている。なお、図1では図示していないが、気体燃料吸入システムは、貯蔵部71で貯蔵された燃料を通路72を介して改質器73側に圧送するポンプや、通路72を流れる燃料の流量を調整する弁なども備えている。   Specifically, the gaseous fuel suction system includes a storage unit 71 that stores fuel before reforming (for example, methanol), a passage 72 that connects the storage unit 71 and the reformer 73, and a reformer 73. And a passage 74 through which the reformed fuel (gas fuel) reformed by the reformer 73 flows. Although not shown in FIG. 1, the gaseous fuel suction system is configured to pump the fuel stored in the storage unit 71 to the reformer 73 side via the passage 72, or to adjust the flow rate of the fuel flowing through the passage 72. It also has a valve to adjust.

ポンプにより貯蔵部71から吐出された燃料は通路72を介して改質器73に供給される。その改質器73は、単位量当たりの燃料から出力される発熱量が増加するように貯蔵部71から供給された燃料の性状を触媒上で改質する。ここで、図3は、改質器73の概略構成を示している。改質器73は、特許文献1の改質器と同様の構成を有している。すなわち、改質器73は、メタノール等の燃料をH2やCO等の改質燃料に変換する化学反応を促進させる触媒701と、その触媒701の周囲に配置された熱交換器702とを有している。また、改質器73には、排気通路27(図1参照)を流れる排気ガスが供給されるようになっており、改質器73は、供給された排気ガスが改質器73内を流れる排気通路703を有している。その排気通路703は、排気通路703を流れる排気ガスと熱交換器702との間で熱交換するように、熱交換器702の周囲に配置されている。また、改質器73は、貯蔵部71から供給された燃料が改質器73内を流れる燃料通路704を有している。その燃料通路704は、触媒701上を通過する形で配置されている。   The fuel discharged from the storage unit 71 by the pump is supplied to the reformer 73 through the passage 72. The reformer 73 reforms the properties of the fuel supplied from the storage unit 71 on the catalyst so that the calorific value output from the fuel per unit amount increases. Here, FIG. 3 shows a schematic configuration of the reformer 73. The reformer 73 has the same configuration as the reformer disclosed in Patent Document 1. That is, the reformer 73 includes a catalyst 701 that promotes a chemical reaction for converting a fuel such as methanol into a reformed fuel such as H 2 or CO, and a heat exchanger 702 disposed around the catalyst 701. ing. Further, the reformer 73 is supplied with exhaust gas flowing through the exhaust passage 27 (see FIG. 1), and the reformer 73 supplies the supplied exhaust gas through the reformer 73. An exhaust passage 703 is provided. The exhaust passage 703 is disposed around the heat exchanger 702 so as to exchange heat between the exhaust gas flowing through the exhaust passage 703 and the heat exchanger 702. The reformer 73 has a fuel passage 704 through which the fuel supplied from the storage unit 71 flows in the reformer 73. The fuel passage 704 is disposed so as to pass over the catalyst 701.

改質器73の作用を説明すると、排気通路703を流れる排気ガスは高温(数100℃)となっているので、熱交換器702を介して、排気ガスと触媒701との間で熱交換が行われる。つまり、触媒701は、排気ガスにより暖められ、活性化する。なお、熱交換後の排気ガスは改質器73外に排出される。改質器73に供給された燃料は、燃料通路704を通って排気ガスにより暖められた触媒701に供給され、その触媒701上でH2O(水)と反応してH2やCO等の気体燃料に改質(変換)される。なお、触媒701上で燃料と反応させるためのH2Oとして、例えば排気ガス中に含まれたH2Oを用いれば良い。気体燃料は、触媒701を通過した後の燃料通路704を通って、改質器73から排出される。なお、気体燃料(H2、CO)は、改質前の燃料(CH3−OH)に比べて自着火性が低下するものの、単位量当たりの発熱量が増加した燃料である。   The operation of the reformer 73 will be described. Since the exhaust gas flowing through the exhaust passage 703 has a high temperature (several hundred degrees Celsius), heat exchange is performed between the exhaust gas and the catalyst 701 through the heat exchanger 702. Done. That is, the catalyst 701 is warmed by the exhaust gas and activated. The exhaust gas after heat exchange is discharged out of the reformer 73. The fuel supplied to the reformer 73 is supplied to the catalyst 701 heated by the exhaust gas through the fuel passage 704, and reacts with H2O (water) on the catalyst 701 to become gaseous fuel such as H2 or CO. Modified (converted). For example, H2O contained in the exhaust gas may be used as H2O for reacting with the fuel on the catalyst 701. The gaseous fuel is discharged from the reformer 73 through the fuel passage 704 after passing through the catalyst 701. The gaseous fuel (H2, CO) is a fuel having an increased calorific value per unit amount, although the self-ignitability is lower than that of the fuel (CH3-OH) before reforming.

図1に示すように、改質器73で改質された気体燃料は、通路74を介して、各EGRリッチガス通路25に分岐する前、かつ、接続通路29より下流の高圧EGR通路241に供給されるようになっている。よって、高圧EGR通路241より下流の各EGRリッチガス通路25には、EGRリッチガスと気体燃料とを含んだガスが流れる。また、接続通路29より下流で気体燃料を供給することにより、接続通路29を介してEGRリーンガス通路22に気体燃料が供給されてしまうのを抑制できる。   As shown in FIG. 1, the gaseous fuel reformed by the reformer 73 is supplied to the high-pressure EGR passage 241 before branching to each EGR rich gas passage 25 via the passage 74 and downstream of the connection passage 29. It has come to be. Therefore, the gas containing EGR rich gas and gaseous fuel flows through each EGR rich gas passage 25 downstream from the high pressure EGR passage 241. Further, by supplying the gaseous fuel downstream from the connection passage 29, it is possible to suppress the gaseous fuel from being supplied to the EGR lean gas passage 22 through the connection passage 29.

各EGRリッチガス通路25には、EGRリッチガス通路25を流れるガスの流量を調整するバルブ42(以下、吸気制御バルブという)が設けられている。吸気制御バルブ42としては例えばバタフライ弁が用いられる。吸気制御バルブ42の設置位置はできるだけ吸気バルブ14に近いほうが良い。なぜなら、吸気バルブ14から吸気制御バルブ42までの容積が小さくなり、吸気流量の制御性が良くなるからである。   Each EGR rich gas passage 25 is provided with a valve 42 (hereinafter referred to as an intake control valve) for adjusting the flow rate of the gas flowing through the EGR rich gas passage 25. For example, a butterfly valve is used as the intake control valve 42. The installation position of the intake control valve 42 should be as close to the intake valve 14 as possible. This is because the volume from the intake valve 14 to the intake control valve 42 is reduced, and the controllability of the intake flow rate is improved.

ただし、図4のエンジンシステム2のように、各EGRリッチガス通路25に分岐する前の通路241に吸気制御バルブ42を設けたとしても良い。この通路241は気体燃料が供給される通路であるが、図4では、吸気制御バルブ42は気体燃料の供給口よりも下流に設けられている。なお、図4のエンジンシステム2は、吸気制御バルブ42の設置位置及び個数が図1のエンジンシステム1と異なっており、それ以外は図1のエンジンシステム1と同じである。図2の位置に吸気制御バルブ42を設けることで、吸気制御バルブ42の個数を1つに削減できる。   However, as in the engine system 2 of FIG. 4, the intake control valve 42 may be provided in the passage 241 before branching to each EGR rich gas passage 25. The passage 241 is a passage through which gaseous fuel is supplied. In FIG. 4, the intake control valve 42 is provided downstream of the gaseous fuel supply port. The engine system 2 in FIG. 4 is different from the engine system 1 in FIG. 1 in the installation position and the number of intake control valves 42, and is otherwise the same as the engine system 1 in FIG. By providing the intake control valve 42 at the position shown in FIG. 2, the number of intake control valves 42 can be reduced to one.

図1に戻り、エンジンシステム1には、吸気制御バルブ42に接続してその吸気制御バルブ42を作動させるアクチュエータ43が設けられている。そのアクチュエータ43は、例えばモータであったり、油圧、負圧で作動するアクチュエータであったりする。なお、アクチュエータ43は、吸気制御バルブ42ごとに設けられたとしても良いし、4つの吸気制御バルブ42間で共通のアクチュエータであったとしても良い。   Returning to FIG. 1, the engine system 1 is provided with an actuator 43 that is connected to the intake control valve 42 and operates the intake control valve 42. The actuator 43 is, for example, a motor or an actuator that operates with hydraulic pressure or negative pressure. The actuator 43 may be provided for each intake control valve 42, or may be a common actuator among the four intake control valves 42.

エンジンシステム1には、吸気制御バルブ42を含む各バルブ(スロットル33、EGRバルブ35、41など)の開閉(開閉時期や開度など)やインジェクタ18(図2参照)による燃料供給、吸入する気体燃料の量などを制御することでエンジン10の運転を制御するECU50が設けられている。そのECU50は、CPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータを主として構成されている。   In the engine system 1, the valves including the intake control valve 42 (throttle 33, EGR valves 35, 41, etc.) are opened and closed (opening / closing timing, opening degree, etc.), fuel is supplied by the injector 18 (see FIG. 2), and the gas to be sucked An ECU 50 that controls the operation of the engine 10 by controlling the amount of fuel and the like is provided. The ECU 50 is mainly configured by a computer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like.

ECU50は、エンジン10から排出されるエミッションを抑制するためや、燃焼エネルギーを増加させるためや、冷損を低減するために、EGRリーンガスと、EGRリッチガス及び気体燃料とが燃焼室で成層分布するように、それらガスを燃焼室に吸入させている。図5は、EGRリーンガス通路22の一部と、EGRリッチガス通路25の一部を抜き出して、それら通路22、25を並べて示した図である。また、図6は、吸気行程において、EGRリーンガスと、EGRリッチガス及び気体燃料とをどのように吸入するのかを説明する図である。詳細には、図6は、クランク角に対する吸気バルブ14のリフト量の変化(図6(A))、EGRリーンガスの吸気流量、EGRリッチガス及び気体燃料の吸気流量の変化(図6(B))を示している。なお、図6(B)において、ライン201はスワール生成ポート12から吸入されるガス、つまりEGRリーンガスの吸気流量を示している。ライン202は、タンブル生成ポート13から吸入されるガス、つまりEGRリッチガス及び気体燃料の吸気流量を示している。   The ECU 50 is configured so that the EGR lean gas, the EGR rich gas, and the gaseous fuel are stratified and distributed in the combustion chamber in order to suppress emissions discharged from the engine 10, increase combustion energy, and reduce cooling loss. In addition, these gases are sucked into the combustion chamber. FIG. 5 is a view in which a part of the EGR lean gas passage 22 and a part of the EGR rich gas passage 25 are extracted and the passages 22 and 25 are shown side by side. FIG. 6 is a diagram for explaining how the EGR lean gas, the EGR rich gas, and the gaseous fuel are sucked in the intake stroke. Specifically, FIG. 6 shows a change in the lift amount of the intake valve 14 with respect to the crank angle (FIG. 6A), a change in the intake flow rate of EGR lean gas, the intake flow rate of EGR rich gas and gaseous fuel (FIG. 6B). Is shown. In FIG. 6B, a line 201 indicates the intake flow rate of the gas sucked from the swirl generation port 12, that is, the EGR lean gas. A line 202 indicates the intake flow rates of the gas sucked from the tumble generation port 13, that is, EGR rich gas and gaseous fuel.

図5に示すように、EGRリーンガス通路22には、吸気制御バルブが設けられていないので、EGRリーンガスは、図6(B)のライン201で示すように、吸気バルブ14のリフト量(図6(A)参照)に応じた吸気流量で燃焼室に吸入される。これに対して、EGRリッチガス及び気体燃料の吸入に関し、ECU50は、図5に示すように、吸気行程の間中、吸気制御バルブ42を全開よりも小さい開度にする。これによって、図6(B)のライン202で示すように、EGRリッチガス及び気体燃料の吸気流量をEGRリーンガスの吸気流量(ライン201)よりも少なくする。なお、吸気行程中、吸気制御バルブ42は全開ではないものの低開度で開いていることになるので、EGRリッチガス及び気体燃料は、吸気バルブ14のリフトに連動して燃焼室に吸入、つまり、吸気行程の前半から吸入されることになる。このように、EGRリッチガス及び気体燃料の吸気流量を絞る結果、EGRリッチガス及び気体燃料はEGRリーンガスよりも弱く吸入されることになる。   As shown in FIG. 5, since no intake control valve is provided in the EGR lean gas passage 22, the EGR lean gas is lifted by the intake valve 14 as shown by the line 201 in FIG. 6B (FIG. 6). Intake into the combustion chamber at an intake air flow rate according to (A). On the other hand, regarding the intake of EGR rich gas and gaseous fuel, as shown in FIG. 5, the ECU 50 opens the intake control valve 42 smaller than fully open during the intake stroke, as shown in FIG. 5. As a result, as indicated by the line 202 in FIG. 6B, the intake flow rates of the EGR rich gas and the gaseous fuel are made smaller than the intake flow rate of the EGR lean gas (line 201). During the intake stroke, the intake control valve 42 is not fully opened but is opened at a low opening, so that EGR rich gas and gaseous fuel are sucked into the combustion chamber in conjunction with the lift of the intake valve 14, that is, It will be inhaled from the first half of the intake stroke. As described above, as a result of restricting the intake flow rates of the EGR rich gas and the gaseous fuel, the EGR rich gas and the gaseous fuel are sucked weaker than the EGR lean gas.

なお、1回の吸気行程で燃焼室に吸入されるガスの総吸入量に対するEGRリッチガス及び気体燃料の吸入量の割合が30%程度となるように、EGRリッチガス及び気体燃料の吸気流量を絞るのが好ましい。つまり、EGRリーンガス:EGRリッチガス及び気体燃料=7:3程度とするのが好ましい。この割合にすることで、EGR成層化の程度を高くすることができるという知見を本発明者は得ている。なお、EGR成層化の程度とは、吸気行程の後、圧縮行程が終了した段階で最も排気濃度が高い部分(最も酸素濃度が低い部分)と最も排気濃度が低い部分(最も排気濃度が高い部分)との差を意味する。そして、EGR成層化の程度が高くなると、エミッション(NOx、スモーク)を低減できるという知見を本発明者は得ている。   Note that the intake flow rates of the EGR rich gas and the gaseous fuel are reduced so that the ratio of the intake amount of the EGR rich gas and the gaseous fuel to the total intake amount of the gas sucked into the combustion chamber in one intake stroke is about 30%. Is preferred. That is, it is preferable that EGR lean gas: EGR rich gas and gaseous fuel = about 7: 3. The present inventors have obtained the knowledge that the degree of EGR stratification can be increased by using this ratio. The degree of EGR stratification refers to the portion with the highest exhaust concentration (the portion with the lowest oxygen concentration) and the portion with the lowest exhaust concentration (the portion with the highest exhaust concentration) at the stage where the compression stroke is completed after the intake stroke. ) Means the difference. And the inventor has obtained the knowledge that the emission (NOx, smoke) can be reduced when the degree of EGR stratification increases.

図7は、スワール生成ポート12から燃焼室110に吸入されるガスの流れ(スワール流)と、タンブル生成ポート13から吸入されるガスの流れ(タンブル流)とを模式的に示している。図7に示すように、スワール流(EGRリーンガス)は燃焼室110の外周寄りに吸入されるのに対し、タンブル流(EGRリッチガス及び気体燃料)は燃焼室110の中央寄りに吸入される。   FIG. 7 schematically shows the flow of gas sucked from the swirl generation port 12 into the combustion chamber 110 (swirl flow) and the flow of gas sucked from the tumble generation port 13 (tumble flow). As shown in FIG. 7, the swirl flow (EGR lean gas) is sucked near the outer periphery of the combustion chamber 110, while the tumble flow (EGR rich gas and gaseous fuel) is sucked near the center of the combustion chamber 110.

図6(B)のようにEGRリッチガス及び気体燃料の吸気流量が絞られ、かつ、EGRリーンガス、EGRリッチガス及び気体燃料が図7のように吸入される結果、吸気行程終了時(圧縮行程開始時)では、図2、図8に示すように燃焼室110においてガスを成層分布させることができる。なお、図8は、燃焼室110を図2のVIII−VIII線で切ったときの図(燃焼室110の平面視断面図)である。すなわち、燃焼室110の下部(ピストン16側)にEGRリーンガスが配置され、上部(インジェクタ18側)の中央領域110bにはEGRリッチガス及び気体燃料が配置され、外周領域110a、つまりシリンダブロック111の内周面に沿って環状にEGRリーンガスが配置される。   As shown in FIG. 6B, the intake flow rates of the EGR rich gas and the gaseous fuel are reduced, and the EGR lean gas, the EGR rich gas, and the gaseous fuel are sucked as shown in FIG. ), The gas can be stratified in the combustion chamber 110 as shown in FIGS. 8 is a diagram (cross-sectional view in plan view of the combustion chamber 110) when the combustion chamber 110 is cut along the line VIII-VIII in FIG. That is, EGR lean gas is disposed in the lower part (piston 16 side) of the combustion chamber 110, and EGR rich gas and gaseous fuel are disposed in the central area 110b in the upper part (injector 18 side). An EGR lean gas is disposed in a ring shape along the peripheral surface.

その後、圧縮行程の終了時になると、図9に示すように、燃焼室の中央領域161(インジェクタ18の直下領域)に気体燃料を含んだEGRリッチガスを、つまり排気濃度が高い(酸素濃度が低い)ガスを配置できる。また、中央領域161の周りのスキッシュエリア(ピストンの上面外周部とシリンダヘッドの間の隙間)及びピストンの上面(頂部)に形成されたキャビティエリア(図9の符号「162」のエリア。以下、スキッシュ及びキャビティエリアという)に、EGRリーンガスを、つまり排気濃度が低い(酸素濃度が高い)ガスを配置できる。なお、図9は、圧縮行程終了時における燃焼室の様子を示し、燃焼室の各部における排気濃度の違いを色の濃淡の違いで表した図である。図9において、色が濃くなるほど排気濃度が高いことを示している。   Thereafter, at the end of the compression stroke, as shown in FIG. 9, EGR rich gas containing gaseous fuel in the central region 161 of the combustion chamber (a region directly below the injector 18), that is, the exhaust concentration is high (the oxygen concentration is low). Gas can be arranged. Further, a squish area around the central region 161 (a gap between the outer periphery of the upper surface of the piston and the cylinder head) and a cavity area (an area indicated by reference numeral “162” in FIG. 9) formed on the upper surface (top) of the piston. EGR lean gas, that is, gas having a low exhaust concentration (high oxygen concentration) can be disposed in the squish and cavity areas). FIG. 9 shows the state of the combustion chamber at the end of the compression stroke, and shows the difference in exhaust concentration in each part of the combustion chamber by the difference in color shade. FIG. 9 shows that the exhaust concentration is higher as the color is darker.

中央領域161は、酸素量が多くなりやすくかつ燃焼温度が高くなりやすい領域であり、窒素と酸素が結びついてNOxが発生しやすい領域である。これに対して、スキッシュ及びキャビティエリア162(燃焼室の外周領域)は、酸素量が少なくなりやすく、スモーク(煤)が発生しやすい領域である。よって、中央領域161に配置された、酸素濃度が低いEGRリッチガス及び気体燃料の層はNOxの低減に寄与し、スキッシュ及びキャビティエリア162に配置された、酸素濃度が高いEGRリーンガスの層はスモークの低減に寄与する。つまり、図9のように成層化することで、エミッション(NOx、スモーク)を低減できる。   The central region 161 is a region where the amount of oxygen is likely to increase and the combustion temperature is likely to be high, and is a region where nitrogen and oxygen are combined and NOx is likely to be generated. On the other hand, the squish and cavity area 162 (outer peripheral region of the combustion chamber) is a region where the amount of oxygen tends to decrease and smoke (soot) tends to occur. Therefore, the EGR rich gas and gas fuel layer disposed in the central region 161 contributes to the reduction of NOx, and the EGR lean gas layer disposed in the squish and cavity area 162 is smoked. Contributes to reduction. That is, emission (NOx, smoke) can be reduced by stratification as shown in FIG.

また、燃焼室に気体燃料を吸入しているので、気体燃料を吸入しない場合に比べて燃焼エネルギーを増加できる。さらに、着火しにくい気体燃料(H2、CO)をEGRリッチガスとともに燃焼室の中央領域161(図9参照)に配置するように吸入しているので、インジェクタ18から噴射された燃料の圧縮自着火燃焼を火種として気体燃料を容易に着火燃焼させることができる。つまり、気体燃料をスキッシュ及びキャビティエリア162に配置する場合に比べて、気体燃料の着火性を向上できるとともに、着火した気体燃料の燃焼エネルギーが燃焼室の外周壁(シリンダブロック111)から逃げてしまうのを低減できる。   Further, since gaseous fuel is sucked into the combustion chamber, the combustion energy can be increased as compared with the case where gaseous fuel is not sucked. Further, since the gaseous fuel (H2, CO) that is difficult to ignite is sucked together with the EGR rich gas so as to be disposed in the central region 161 (see FIG. 9) of the combustion chamber, the compressed self-ignition combustion of the fuel injected from the injector 18 It is possible to easily ignite and burn the gaseous fuel using as a fire type. That is, the ignitability of the gaseous fuel can be improved and the combustion energy of the ignited gaseous fuel escapes from the outer peripheral wall (cylinder block 111) of the combustion chamber as compared with the case where the gaseous fuel is arranged in the squish and cavity area 162. Can be reduced.

また、中央領域161にはEGRリッチガスを吸入しているので、中央領域161の酸素濃度を低くでき、その結果、中央領域161の燃焼温度(インジェクタ18からの燃料及び気体燃料の燃焼温度)を下げることができる。   Further, since the EGR rich gas is sucked into the central region 161, the oxygen concentration in the central region 161 can be lowered, and as a result, the combustion temperature of the central region 161 (the combustion temperature of the fuel and gaseous fuel from the injector 18) is lowered. be able to.

ここで、図10は、燃焼室の外周領域にEGRリーンガスを、中央領域にEGRリッチガス及び気体燃料を成層分布させた場合における燃焼温度を示している。詳細には、図10の上段には、燃焼室の平面視断面図において、燃焼室の外周領域にEGRリーンガスを、中央領域にEGRリッチガス及び気体燃料を成層分布させた状態を示している。図10の下段には、図10の上段の平面視断面図における燃焼室の中心Oから外周Xまでの燃焼温度の分布を示している。図10の下段の図では、燃焼温度の違いを色の濃淡の違いで示しており、燃焼温度が3000Kに近づくほど色が濃くなっている。また、図11は、図10に対する比較例の図であり、燃焼室の外周領域にEGRリッチガスを、中央領域にEGRリーンガス及び気体燃料を成層分布させた場合における燃焼温度を示しており、詳細には、図10と同様に、上段に燃焼室の平面視断面図を、下段に燃焼温度の分布を示している。   Here, FIG. 10 shows the combustion temperature in the case where the EGR lean gas is distributed in the outer peripheral region of the combustion chamber and the EGR rich gas and the gaseous fuel are stratified in the central region. Specifically, the upper part of FIG. 10 shows a state in which EGR lean gas is distributed in the outer peripheral region of the combustion chamber and EGR rich gas and gaseous fuel are stratified and distributed in the central region in the sectional view in plan view of the combustion chamber. The lower part of FIG. 10 shows the distribution of the combustion temperature from the center O of the combustion chamber to the outer periphery X in the plan view of the upper part of FIG. In the lower diagram of FIG. 10, the difference in the combustion temperature is shown by the difference in the shade of the color, and the color becomes darker as the combustion temperature approaches 3000K. FIG. 11 is a view of a comparative example with respect to FIG. 10, showing the combustion temperature when stratified distribution of EGR rich gas in the outer peripheral region of the combustion chamber and EGR lean gas and gaseous fuel in the central region. As in FIG. 10, the upper section shows a cross-sectional view of the combustion chamber in plan view, and the lower section shows the distribution of combustion temperature.

図10、図11の成層分布のどちらも、燃焼室の中心O付近(中央領域)は、外周X付近(外周領域)に比べて燃焼温度が高くなっている。一方、本発明の成層分布(図10)のほうが、比較例の成層分布(図11)よりも中心O付近の燃焼温度が低い(色が薄い)ことがわかる。また、外周X付近の燃焼温度は、図10、図11の成層分布間でそれほど差異がないことがわかる。このことから、図10の成層分布のほうが、図11の成層分布より冷損を低減できるといえる。   In both the stratified distributions of FIGS. 10 and 11, the combustion temperature is higher in the vicinity of the center O (center region) of the combustion chamber than in the vicinity of the outer periphery X (outer periphery region). On the other hand, it can be seen that the stratified distribution of the present invention (FIG. 10) has a lower combustion temperature (color is lighter) near the center O than the stratified distribution of the comparative example (FIG. 11). Moreover, it turns out that the combustion temperature of the outer periphery X vicinity does not have so much difference between the stratification distribution of FIG. 10, FIG. From this, it can be said that the stratification distribution of FIG. 10 can reduce the cooling loss more than the stratification distribution of FIG.

図12は、本発明のように成層分布させることで冷損を低減できることを示した図である。詳細には、図12は、気体燃料を含むガスを未成層で吸入した場合の冷却損失(冷損)を基準(100%)としたときの、本発明の成層分布、比較例の成層分布における冷却損失の低減割合を示している。図12の左の結果は、新気、EGRガス及び気体燃料を燃焼室で混ざるように吸入、つまり未成層で吸入した場合における冷却損失(100%)を示している。図12の真ん中の結果は、図11と同様に成層分布させた場合、つまり燃焼室の外周領域にEGRリッチガスを、中央領域にEGRリーンガス及び気体燃料を成層分布させた場合における冷却損失を示している。図12の右の結果は、図10と同様に成層分布させた場合、つまり燃焼室の外周領域にEGRリーンガスを、中央領域にEGRリッチガス及び気体燃料を成層分布させた場合における冷却損失を示している。   FIG. 12 is a diagram showing that cooling loss can be reduced by stratified distribution as in the present invention. Specifically, FIG. 12 shows the stratification distribution of the present invention and the stratification distribution of the comparative example when the cooling loss (cooling loss) when the gas containing the gaseous fuel is sucked in the unstratified layer is set as a reference (100%). The reduction rate of cooling loss is shown. The result on the left of FIG. 12 shows the cooling loss (100%) when fresh air, EGR gas, and gaseous fuel are sucked so as to be mixed in the combustion chamber, that is, sucked in the unstratified layer. The result in the middle of FIG. 12 shows the cooling loss when stratified distribution is performed in the same manner as in FIG. 11, that is, when EGR rich gas is distributed in the outer peripheral region of the combustion chamber and EGR lean gas and gaseous fuel are stratified in the central region. Yes. The result on the right side of FIG. 12 shows the cooling loss when stratified distribution is performed as in FIG. 10, that is, when EGR lean gas is distributed in the outer peripheral region of the combustion chamber and EGR rich gas and gaseous fuel are stratified in the central region. Yes.

図12に示すように、気体燃料を燃焼室の中央領域に成層分布させると、成層分布させない場合に比べて冷却損失を低減できることがわかる。具体的には、焼室の外周領域にEGRリッチガスを、中央領域にEGRリーンガス及び気体燃料を成層分布させた場合(図12の真ん中の結果)には、成層分布させない場合に比べて冷却損失が10%低減する。また、燃焼室の外周領域にEGRリーンガスを、中央領域にEGRリッチガス及び気体燃料を成層分布させた場合(図12の右の結果)には、成層分布させない場合に比べて冷却損失が28%低減する。これは、気体燃料を燃焼室の中央領域に成層分布させると、気体燃料の燃焼が燃焼室の外周壁から逃げてしまうのを低減できるためである。   As shown in FIG. 12, it can be seen that if the gaseous fuel is stratified and distributed in the central region of the combustion chamber, the cooling loss can be reduced as compared with the case where the stratified distribution is not provided. Specifically, when EGR rich gas is stratified in the outer peripheral area of the firing chamber and EGR lean gas and gaseous fuel are stratified in the central area (result in the middle of FIG. 12), the cooling loss is lower than when stratified distribution is not achieved. Reduce by 10%. Further, when stratified distribution of EGR lean gas in the outer peripheral region of the combustion chamber and EGR rich gas and gaseous fuel in the central region (result on the right in FIG. 12), the cooling loss is reduced by 28% compared to the case where stratified distribution is not performed. To do. This is because when the gaseous fuel is stratified and distributed in the central region of the combustion chamber, the escape of the combustion of the gaseous fuel from the outer peripheral wall of the combustion chamber can be reduced.

また、図12の真ん中の結果と右の結果を比較すると、EGRリッチガスを燃焼室の中央領域に成層分布させたほうが、外周領域に成層分布させた場合に比べて冷却損失を低減できることがわかる。これは、図10、図11で説明したように、EGRリッチガスを燃焼室の中央領域に成層分布させたほうが、燃焼室の中央領域の燃焼温度を低減できるためである。   Further, comparing the result in the middle of FIG. 12 with the result on the right, it can be seen that the cooling loss can be reduced by stratifying the EGR rich gas in the central region of the combustion chamber as compared with the stratified distribution in the outer peripheral region. This is because, as described with reference to FIGS. 10 and 11, the combustion temperature in the central region of the combustion chamber can be reduced by stratified distribution of the EGR rich gas in the central region of the combustion chamber.

以上説明したように、本実施形態によれば、燃焼室の外周領域にEGRリーンガスを、中央領域にEGRリッチガス及び気体燃料を成層分布させているので、エミッションを低減できるとともに、発熱量を増加でき、冷損を低減、つまり熱効率を向上できる。   As described above, according to the present embodiment, since the EGR lean gas is distributed in the outer peripheral region of the combustion chamber and the EGR rich gas and the gaseous fuel are stratified in the central region, the emission can be reduced and the calorific value can be increased. , Cooling loss can be reduced, that is, thermal efficiency can be improved.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない限度で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、4つの気筒を有したエンジンシステムに本発明を適用した例を説明したが、単気筒エンジンや4気筒エンジン以外の多気筒エンジンの吸気に本発明を適用しても良い。また、上記実施形態では、改質燃料を吸入する例を説明したが、CNG等の気体燃料を改質しないで直接吸入しても良い。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible to the limit which does not deviate from description of a claim. For example, in the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to an engine system having four cylinders has been described. However, the present invention may be applied to intake of a multi-cylinder engine other than a single-cylinder engine or a four-cylinder engine. . Moreover, although the example which inhales reformed fuel was demonstrated in the said embodiment, you may inhale directly, without reforming gaseous fuel, such as CNG.

また、吸気行程の前半は吸気制御バルブを閉じてEGRリッチガス及び気体燃料の吸入を停止させ、後半から吸気制御バルブを開いてEGRリッチガス及び気体燃料の吸入を開始するようにしても良い。これによっても、燃焼室の外周領域にEGRリーンガスを、中央領域にEGRリッチガス及び気体燃料を成層分布させることができる。また、吸気制御バルブを省略して、タンブル生成ポートに設けられた吸気バルブのリフト量を、スワール生成ポートに設けられた吸気バルブのリフト量よりも抑えることで、成層分布を実現しても良い。また、上記実施形態では、インジェクから燃焼室に軽油を供給していたが、改質器で改質する前の非改質燃料をインジェクタから供給するシステムに本発明を適用しても良い。   Also, the intake control valve may be closed during the first half of the intake stroke to stop the intake of EGR rich gas and gaseous fuel, and the intake control valve may be opened from the second half to start the intake of EGR rich gas and gaseous fuel. This also allows stratified distribution of EGR lean gas in the outer peripheral region of the combustion chamber and EGR rich gas and gaseous fuel in the central region. Further, the intake control valve may be omitted, and the stratified distribution may be realized by suppressing the lift amount of the intake valve provided in the tumble generation port to be lower than the lift amount of the intake valve provided in the swirl generation port. . In the above embodiment, light oil is supplied from the injector to the combustion chamber. However, the present invention may be applied to a system that supplies non-reformed fuel from the injector before reforming by the reformer.

なお、上記実施形態において、エンジンシステム1、2が本発明に係る「内燃機関の吸気制御装置」に相当する。通路21、22が本発明の「第1通路」に相当する。通路24、25が本発明の「第2通路」に相当する。吸気制御バルブ42が本発明の「流量調整手段」に相当する。通路74が本発明の「供給手段」に相当する。   In the above embodiment, the engine systems 1 and 2 correspond to an “intake control device for an internal combustion engine” according to the present invention. The passages 21 and 22 correspond to the “first passage” of the present invention. The passages 24 and 25 correspond to the “second passage” of the present invention. The intake control valve 42 corresponds to the “flow rate adjusting means” of the present invention. The passage 74 corresponds to the “supplying means” of the present invention.

1、2 エンジンシステム(内燃機関の吸気制御装置)
10 ディーゼルエンジン10(内燃機関)
110 燃焼室
110a 燃焼室の外周領域
110b 燃焼室の中央領域
1, 2 Engine system (intake control system for internal combustion engine)
10 Diesel engine 10 (internal combustion engine)
110 Combustion chamber 110a Outer peripheral region of combustion chamber 110b Central region of combustion chamber

Claims (5)

燃焼室(110)を有し、その燃焼室に燃料を直接噴射してその燃料を圧縮自着火燃焼させるように構成された内燃機関(10)の前記燃焼室の外周領域(110a)に第1ガスを吸入し、前記外周領域の内側の中央領域(110b)に第2ガスを吸入する内燃機関の吸気制御装置(1、2)であって、
前記第1ガスを、前記内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気ガスであるEGRガスの濃度が前記第2ガスよりも希薄な空気であるEGRリーンガスとし、
前記第2ガスを、前記EGRガスの濃度が前記第1ガスよりも濃厚な空気であるEGRリッチガスと気体燃料とを含んだガスとしたことを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
The combustion chamber (110) has a first combustion chamber (110a) in the outer peripheral region (110a) of the internal combustion engine (10) configured to inject fuel directly into the combustion chamber and combust the compressed ignition fuel. An intake control device (1, 2) for an internal combustion engine that sucks gas and sucks a second gas into a central region (110b) inside the outer peripheral region,
The first gas is an EGR lean gas in which the concentration of EGR gas, which is exhaust gas recirculated from the exhaust system of the internal combustion engine to the intake system, is leaner than that of the second gas,
An intake control device for an internal combustion engine, wherein the second gas is a gas containing an EGR rich gas, which is a richer air of the EGR gas than the first gas, and a gaseous fuel.
前記内燃機関は、前記燃焼室にガスを吸入するための吸気ポートとして吸入したガスにスワール流を生じさせるスワール生成ポート(12)と、タンブル流を生じさせるタンブル生成ポート(13)とを備え、
前記第1ガスが流れる通路であって前記スワール生成ポートに接続された第1通路(21、22)と、
前記第2ガスが流れる通路であって前記タンブル生成ポートに接続された第2通路(24、25)とを備えることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の吸気制御装置。
The internal combustion engine includes a swirl generation port (12) that generates a swirl flow in the gas sucked as an intake port for sucking gas into the combustion chamber, and a tumble generation port (13) that generates a tumble flow.
A passage through which the first gas flows and a first passage (21, 22) connected to the swirl generation port;
The intake control device for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising a second passage (24, 25) that is a passage through which the second gas flows and is connected to the tumble generation port.
前記タンブル生成ポートから前記燃焼室に吸入する前記第2ガスの流量を、前記スワール生成ポートから前記燃焼室に吸入する前記第1ガスの流量より少なくなるように調整する流量調整手段(42)を備えることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の吸気制御装置。   Flow rate adjusting means (42) for adjusting a flow rate of the second gas sucked into the combustion chamber from the tumble generation port so as to be smaller than a flow rate of the first gas sucked into the combustion chamber from the swirl generation port. The intake control device for an internal combustion engine according to claim 2, further comprising: 前記スワール生成ポート及び前記タンブル生成ポートの上流で前記第1通路と前記第2通路との間を接続する接続通路(29)を備え、
前記接続通路より前記タンブル生成ポートに近い位置で前記第2通路内に前記気体燃料を供給する供給手段(74)を備えることを特徴とする請求項2又は3に記載の内燃機関の吸気制御装置。
A connection passage (29) for connecting the first passage and the second passage upstream of the swirl generation port and the tumble generation port;
The intake control device for an internal combustion engine according to claim 2 or 3, further comprising supply means (74) for supplying the gaseous fuel into the second passage at a position closer to the tumble generation port than the connection passage. .
単位量当たりの燃料から出力される発熱量が増加するよう、燃料の性状を触媒上で改質する改質器(73)を備え、
前記気体燃料は、前記改質器で燃料の性状が改質された改質燃料であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関の吸気制御装置。
A reformer (73) for reforming the properties of the fuel on the catalyst so that the calorific value output from the fuel per unit amount is increased;
The intake control apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the gaseous fuel is a reformed fuel whose property is reformed by the reformer.
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