内燃機関
【課題】大量の排気ガスを吸気経路に再循環させても排気ターボ過給機による過給効果を十分に得ること。
【解決手段】吸気経路２０又は燃焼室１１に燃料としての水素を噴射する水素燃料噴射装置６０と、強制的に大量の空気を燃焼室１１内へと供給する排気ターボ過給機４０とを備えた内燃機関１０において、排気経路３０における排気ターボ過給機４０のタービン４４の下流側（第２排気通路３３）から吸気経路２０における排気ターボ過給機４０のコンプレッサ４２の上流側（第１吸気通路２１）へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路８０を設けること。
【解決手段】吸気経路２０又は燃焼室１１に燃料としての水素を噴射する水素燃料噴射装置６０と、強制的に大量の空気を燃焼室１１内へと供給する排気ターボ過給機４０とを備えた内燃機関１０において、排気経路３０における排気ターボ過給機４０のタービン４４の下流側（第２排気通路３３）から吸気経路２０における排気ターボ過給機４０のコンプレッサ４２の上流側（第１吸気通路２１）へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路８０を設けること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ターボ過給機を具備し、水素を燃料として使用する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素を燃料として使用することで排気ガス中の有害成分を大幅に低減させる内燃機関が知られている。例えば、水素を燃料とすることによって、この内燃機関は、ＣＯ（一酸化炭素），ＣＯ2（二酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）等の排出を無くすことができる。
【０００３】
ここで、かかる内燃機関においては、低負荷で且つ希薄燃焼時（例えば、空気過剰率λ＞２の超希薄燃焼時）に、熱効率を高めつつＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を低減することができ、高効率と低エミッションの両立が可能になる。
【０００４】
一方、高負荷運転時には、空気過剰率λを１に近づけて着火遅れを短くし、燃焼速度の増加を図る必要があるが、水素特有の急速燃焼によって燃焼室内の燃焼温度が急激に上昇するので、燃焼室の壁面の冷却損失が増加し、熱効率の低下と共に、大量のＮＯｘが排出されてしまう。
【０００５】
これが為、高負荷運転時には、例えば、大量の排気ガスを吸気経路に再循環（所謂ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）させながら空気過剰率λ＝１での燃焼（ストイキ燃焼）を行ってＮＯｘの排出を抑制し、その後、排気経路上の三元触媒で浄化させることにより低エミッションを実現することができる。また、かかる排気ガスの再循環により燃焼を緩慢にさせて、冷却損失を低減させることができる。例えば、水素を燃料として利用した内燃機関において排気ガスの再循環を行わせる技術としては、下記の特許文献１に開示されている。
【０００６】
しかしながら、そのような大量の排気ガスの再循環が行われると、例えば気体の水素を吸気経路（具体的には、吸気ポート）へと噴射した場合に、新たに燃焼室内へと吸入する空気量が減少してしまい、出力の低下を招いてしまう。
【０００７】
そこで、かかる内燃機関において排気ターボ過給機を具備することで、強制的に吸入空気量の増加を図る技術が存在している。例えば、水素を燃料とした内燃機関において、排気ターボ過給機を具備し、高負荷運転時に排気ガスの再循環を行うものが下記の特許文献２に開示されている。この特許文献２に開示された内燃機関においては、排気経路における排気ターボ過給機のタービンの上流側から吸気経路へと排気ガスを再循環させる技術が開示されている。
【０００８】
尚、下記の特許文献３には、軽油を燃料とした内燃機関（ディーゼルエンジン）において、排気ターボ過給機のタービンの下流側から吸気経路へと排気ガスを再循環させる技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１１６３９８号公報
【特許文献２】特開平６−２００７７１号公報
【特許文献３】特開平１１−２１０４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献２に開示された内燃機関の如く、再循環させる排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」ともいう。）の取り出し口が排気経路におけるタービンの上流側にあると、タービンハウジングの排気ガス入口の背圧が高くなり、内燃機関から排出された排気ガスがタービンハウジングへと流入する前にＥＧＲ通路から大量に吸気経路へと流れてしまうので、排気ターボ過給機により十分に出力を増加させることができない、という不都合があった。即ち、ＥＧＲガスの取り出し口がタービンよりも上流側にあると、タービンハウジングに十分な排気ガスが流れてこないので、所望の過給効果を得るだけのタービン回転数に達することができず、これが為、吸入空気量の大幅な増加が図れないので、出力を十分に増加させることができない。
【００１１】
ここで、排気ターボ過給機を具備せずに、燃料たる水素ガスを吸気バルブの閉弁後に燃焼室内へと直接噴射することによって出力の向上を図ることも考えられるが、かかる場合には、水素ガスを更に高圧で噴射させなければならず、その高圧に耐え得る水素ガスの供給路や噴射装置を用意しなければならないので、製造原価等の観点からすれば好ましくない。また、そのように水素ガスを吸気バルブの閉弁後に燃焼室内へと直接噴射する場合、高負荷運転時には必要量の水素ガスを噴射しきれない虞があり、結局の所、排気ターボ過給機が必要になってしまう。
【００１２】
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、大量の排気ガスを吸気経路に再循環させても排気ターボ過給機による過給効果を十分に得ることが可能な内燃機関を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、吸気経路又は燃焼室に水素を噴射する水素燃料噴射装置と、排気ターボ過給機とを備えた内燃機関において、排気経路における排気ターボ過給機のタービンの下流側から吸気経路における排気ターボ過給機のコンプレッサの上流側へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路を設けている。
【００１４】
この請求項１記載の内燃機関によれば、排気ガスを再循環させる際に排気経路におけるタービンの上流側の背圧が低下しないので、タービンを高速回転させることができ、排気ターボ過給機による過給効果が損なわれない。
【００１５】
また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の内燃機関において、排気経路における排気ターボ過給機のタービンの上流側から吸気経路における排気ターボ過給機のコンプレッサの下流側へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路（第１ＥＧＲ通路）を新たに設けると共に、その排気ターボ過給機の過給状態に応じて夫々のＥＧＲ通路（第１及び第２のＥＧＲ通路）を切り替えるＥＧＲ通路切替手段を設けている。
【００１６】
例えば、そのＥＧＲ通路切替手段は、請求項３記載の発明の如く、排気ターボ過給機の要求過給圧が低いときにタービンの上流側のＥＧＲ通路へと切り替え、前記排気ターボ過給機の要求過給圧が高いときに前記タービンの下流側のＥＧＲ通路へと切り替えるよう構成する。
【００１７】
ここで、そのタービンの上流側は排気経路の中でも背圧が高いので、排気ターボ過給機の要求過給圧が低いときにタービンの上流側のＥＧＲ通路を用いることにより、強制的に背圧を高くせずとも吸気経路へと排気ガスを再循環させることができる。更に、強制的に背圧を高くせずともよいので、排気の抜けの悪化が起こらず、出力の低下を抑制することができる。一方、排気ターボ過給機の要求過給圧が高いときにタービンの下流側のＥＧＲ通路へと切り替えることによって、上述した請求項１記載の内燃機関と同様の効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る内燃機関は、排気ターボ過給機の過給効果により大量の空気を燃焼室へと供給すべきときに、大量の排気ガスを吸気経路へと再循環させながらも必要とする過給圧を得ることが可能なので、ＮＯｘの排出量を低減しつつ排気ターボ過給機による十分な過給効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２０】
本発明に係る内燃機関の実施例１を図１及び図２に基づいて説明する。
【００２１】
最初に、本実施例１における内燃機関の構成について説明する。図１の符号１０は、本実施例１の内燃機関を示す。尚、ここでは１気筒のみを図示しているが、本発明は、直列やＶ型等の形式に拘らず多気筒の内燃機関にも適用される。
【００２２】
本実施例１の内燃機関１０は、図１に示す如く、燃焼室１１を形成するシリンダヘッド１２，シリンダブロック１３及びピストン１４を備えている。ここで、そのシリンダヘッド１２とシリンダブロック１３は図１に示すヘッドガスケット１５を介してボルト等で締結されており、これにより形成されるシリンダヘッド１２の下面の凹部１２ａとシリンダブロック１３のシリンダボア１３ａとの空間内にピストン１４が往復移動可能に配置される。そして、上述した燃焼室１１は、そのシリンダヘッド１２の凹部１２ａの壁面とシリンダボア１３ａの壁面とピストン１４の頂面１４ａとで囲まれた空間によって構成される。
【００２３】
ここで、この内燃機関１０においては、燃焼室１１内に外部からの空気を導く吸気経路２０と当該燃焼室１１から排出された排気ガスが流れる排気経路３０とが設けられており、その吸気経路２０と排気経路３０との間には燃焼室１１内へと大量の空気を強制的に供給する排気ターボ過給機４０が配備されている。
【００２４】
その排気ターボ過給機４０は、吸気経路２０上に配置されたコンプレッサハウジング４１内のコンプレッサ４２と、排気経路３０上に配置され、そのコンプレッサ４２と同一軸にて回転するタービンハウジング４３内のタービン４４とを備えており、そのタービンハウジング４３に流入した排気ガスでタービン４４を高速回転させることによってコンプレッサ４２を回転させ、その過給効果によって外部から大量の空気を燃焼室１１側へと送出する。
【００２５】
先ず、本実施例１の吸気経路２０について詳述する。
【００２６】
この吸気経路２０は、大別すると、外部からの空気を吸入する第１吸気通路２１と、この第１吸気通路２１に排気ターボ過給機４０のコンプレッサハウジング４１を介して接続された第２吸気通路２２と、この第２吸気通路２２を介して外部からの空気が流入し、その空気を燃焼室１１内へと供給するシリンダヘッド１２の吸気ポート２３とを備えている。
【００２７】
これが為、外部からの空気は、その第１及び第２の吸気通路２１，２２を経て吸気ポート２３へと流入し、この吸気ポート２３から燃焼室１１内へと吸入される。一方、排気ターボ過給機４０の過給効果がある場合には、第１吸気通路２１の空気がコンプレッサ４２で過給されて第２吸気通路２２へと送出され、その大量の空気が吸気ポート２３を介して燃焼室１１内に供給される。
【００２８】
ここで、この吸気経路２０を構成する第１吸気通路２１上には、外部側から順に、吸入した空気から塵埃等の異物を除去するエアクリーナ２４と、外部からの吸入空気量を検出するエアフロメータ２５とが設けられている。そのエアフロメータ２５の検出信号は内燃機関１０の制御手段たる電子制御装置（ＥＣＵ）５０へと送られ、このＥＣＵ５０にて外部からの吸入空気量が検知される。
【００２９】
また、この吸気経路２０を構成する第２吸気通路２２上には、燃焼室１１内に吸入される空気量を調節するスロットルバルブ２６が配備されている。このスロットルバルブ２６は、ＥＣＵ５０により開弁角度の制御指令が為された図１に示すスロットルバルブアクチュエータ２７によって開閉駆動され、内燃機関１０の運転状態等に応じた所望の空気量を燃焼室１１内へと吸入させる。
【００３０】
また、この吸気経路２０を構成する吸気ポート２３は、その一端が燃焼室１１に開口しており、これが為、第１及び第２の吸気通路２１，２２を経て流入してきた空気を燃焼室１１内へと導く。
【００３１】
ところで、その吸気ポート２３には、燃焼室１１との間の開口を開閉させ得る吸気バルブ２８が配設されている。これが為、その吸気バルブ２８を開弁させることによって吸気ポート２３から燃焼室１１内に空気が吸入され、その吸気バルブ２８を閉弁させることによって燃焼室１１内への空気の流入が遮断される。
【００３２】
尚、その吸気ポート２３における燃焼室１１内への開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に上述した吸気バルブ２８が配備される。
【００３３】
更に、本実施例１にあっては、その吸気ポート２３内に燃料が供給され、その吸気ポート２３にて燃料と空気とが混合された後、その混合気が燃焼室１１内へと吸入される。これが為、本実施例１のシリンダヘッド１２には、その吸気ポート２３内に燃料を供給する燃料噴射装置６０が配設されている。本実施例１にあってはその燃料として水素を使用するので、以下、その燃料噴射装置６０を「水素燃料噴射装置６０」という。
【００３４】
その水素燃料噴射装置６０には、図１に示す水素燃料タンク６１から水素燃料供給路６２を介して水素が送られる。例えば、その水素燃料タンク６１には圧縮された高圧の水素ガスが貯蔵されており、その水素ガスが水素燃料噴射装置６０へと供給される。
【００３５】
ここで、その水素燃料タンク６１と水素燃料供給路６２との接続部分には、圧力センサ６３が設けられている。また、その水素燃料供給路６２上には、水素燃料タンク６１側から順に、水素燃料タンク６１から水素ガスを吸い上げて所定の圧力に加圧した後に水素燃料供給路６２の下流側へと排出する水素ポンプ６４と、水素燃料供給路６２を流れる水素ガスの流量を検出する水素流量計６５と、内燃機関１０の運転状態等に応じた所望の圧力に水素ガスを調節する水素レギュレータ６６とが設けられている。その圧力センサ６３と水素流量計６５の検出信号は、ＥＣＵ５０へと送られる。一方、その水素ポンプ６４と水素レギュレータ６６は、圧力センサ６３と水素流量計６５からの検出値や内燃機関１０の運転状態等に応じてＥＣＵ５０により動作が制御される。
【００３６】
これにより、その水素燃料タンク６１内の水素ガスは、水素ポンプ６４により吸い上げられた後に所定の圧力に加圧され、更に、水素レギュレータ６６により内燃機関１０の運転状態等に応じた所望の圧力に調節されて水素燃料噴射装置６０に供給される。そして、この水素燃料噴射装置６０がＥＣＵ５０により指示された噴射時期や噴射量で水素ガスを吸気ポート２３内に噴射すると、その水素ガスが吸気ポート２３内の空気と混合されて燃焼室１１内に吸入される。
【００３７】
その燃焼室１１内に吸入された水素ガスと空気との混合気は、シリンダヘッド１２に設けた点火プラグ７０によって着火される。この点火プラグ７０は、その点火時期が上述したＥＣＵ５０により制御される。尚、本実施例１にあっては、その点火プラグ７０が燃焼室１１の略中央に配設されているものとして例示するが、その配設位置は必ずしもこれに限定するものではない。
【００３８】
尚、上述した水素燃料タンク６１には、水素吸蔵合金や水素吸着材料により水素を吸蔵しておいてもよく、また、液化された水素を充填していてもよい。更に、メタノールやガソリン等を水蒸気改質して水素ガスを生成する水素生成装置を設け、この水素生成装置から水素燃料噴射装置６０に水素を供給してもよい。
【００３９】
次に、本実施例１の排気経路３０について詳述する。
【００４０】
この排気経路３０は、大別すると、燃焼室１１との間の開口から燃焼後の排気ガスが流入するシリンダヘッド１２の排気ポート３１と、この排気ポート３１を介して燃焼後の排気ガスが流入する第１排気通路３２と、この第１排気通路３２に排気ターボ過給機４０のタービンハウジング４３を介して接続された第２排気通路３３と、この第２排気通路３３を通過した排気ガス中の有害成分を浄化する触媒装置３４とを備えている。
【００４１】
これが為、燃焼後の排気ガスは、その排気ポート３１と第１及び第２の排気通路３２，３３を経て触媒装置３４へと流入し、この触媒装置３４において有害成分が浄化される。一方、その排気ポート３１及び第１排気通路３２を流れる排気ガスが所定の圧力に達している（即ち、排気ターボ過給機４０の過給効果が得られる所定の過給圧に達している）場合には、その排気ガスがタービン４４を高速回転させるので、同一軸上のコンプレッサ４２の回転によって第１吸気通路２１の空気が過給され、大量の空気が燃焼室１１内へと供給される。
【００４２】
ここで、この排気経路３０を構成する排気ポート３１には、燃焼室１１との間の開口を開閉させ得る排気バルブ３５が配設されている。これが為、その排気バルブ３５を開弁させることによって燃焼室１１内から排気ポート３１に排気ガスが排出され、その排気バルブ３５を閉弁させることによって筒内ガスの排気ポート３１への排出が遮断される。
【００４３】
尚、その排気ポート３１における燃焼室１１内への開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に上述した排気バルブ３５が配備される。
【００４４】
また、この排気経路３０を構成する第２排気通路３３上には、排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ2センサ３６が設けられている。このＯ2センサ３６の検出信号はＥＣＵ５０へと送られ、このＥＣＵ５０にて実際の空燃比が算出される。このＥＣＵ５０は、その算出した実際の空燃比の値を用いて空気過剰率λ（＝実際の空燃比／理論空燃比）の算出を行う。
【００４５】
ところで、本実施例１にあっては、前述したが如く水素を燃料として使用しているので、ＣＯ，ＣＯ2やＨＣ等の排出を無くすことができる。
【００４６】
また、排気ガス中のＮＯｘについては、前述したが如く、低負荷で且つ希薄燃焼時であれば、その排出量を低減させることができる。これが為、本実施例１の内燃機関１０にあっては、低負荷運転時に排気ターボ過給機４０の過給効果で大量の空気を燃焼室１１内へと送り込み、空気過剰率λ＞２の超希薄燃焼を行わせる。
【００４７】
その一方で、高負荷運転時には前述したが如く空気過剰率λを１に近づけて燃焼させる必要があるので、大量にＮＯｘが排出されてしまう。これが為、本実施例１の内燃機関１０にあっては、高負荷運転時に大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環（ＥＧＲ）させながら、その際の新気の減少を排気ターボ過給機４０の過給効果により補って空気過剰率λ＝１で運転（ストイキ運転）させ、ＮＯｘの排出量を低減させる。
【００４８】
尚、本実施例１の内燃機関１０においては、前述したエアフロメータ２５の検出信号に基づいてＥＣＵ５０が判断している。
【００４９】
本実施例１にあっては、高負荷運転時に排気ガスを吸気経路２０へと再循環（ＥＧＲ）させる為に、その吸気経路２０と排気経路３０との間に図１に示すＥＧＲ通路８０を設けている。
【００５０】
本実施例１のＥＧＲ通路８０は、その吸気経路２０における排気ターボ過給機４０のコンプレッサ４２の上流側と排気経路３０における排気ターボ過給機４０のタービン４４の下流側との間に設け、その吸気経路２０と排気経路３０とを連通させる。具体的に、このＥＧＲ通路８０は、その吸気経路２０の第１吸気通路２１におけるエアフロメータ２５の下流側に一端（ＥＧＲガス供給口）を連通させる一方、その排気経路３０の第２排気通路３３に他端（ＥＧＲガス取出口）を連通させる。
【００５１】
これにより、本実施例１にあっては、タービンハウジング４３の排気ガス入口と連通している第１排気通路３２の背圧（過給圧）を低下させることなく、その排気ガスをタービンハウジング４３内に流入させることができる。即ち、ＥＧＲ通路８０をタービン４４の下流側の第２排気通路３３と連通させ、この第２排気通路３３から排気ガスを吸気経路２０へと再循環させるので、本実施例１の排気ターボ過給機４０は、排気ガスの再循環を行う際に、その過給圧を低下させることなくタービン４４を高速回転させることができる。これが為、大量の排気ガスを再循環させたとしても、排気ターボ過給機４０による十分な過給効果を得ることができる。
【００５２】
一方、排気経路３０におけるタービン４４の上流側（第１排気通路３２）と下流側（第２排気通路３３）とを比較してみてみると、その上流側に対して下流側の方が背圧は低くなっている。これが為、本実施例１の如くタービン４４の下流側から排気ガスを再循環させる構成を採った場合には、タービンハウジング４３から排出された第２排気通路３３の排気ガスが触媒装置３４側へと大量に流動してしまい、その排気ガスをＥＧＲ通路８０へと大量に分流させることができない虞がある。このことは、特に第１排気通路３２の背圧が低いとき（排気ターボ過給機４０の要求過給圧が低いとき）に顕著に表れ、また、ＥＧＲ通路８０のＥＧＲガス取出口が第２排気通路３３におけるタービンハウジング４３の排気ガス出口から離隔するにつれて顕著になる。
【００５３】
そこで、本実施例１にあっては、その第２排気通路３３におけるＥＧＲ通路８０のＥＧＲガス取出口の下流側直後に図１に示す背圧調整バルブ８１を設ける。この背圧調整バルブ８１は、ＥＣＵ５０により開弁角度の制御指令が為された図１に示す背圧調整バルブアクチュエータ８２によって開閉駆動され、内燃機関１０の運転状態（ここでは、高負荷運転又は低負荷運転）に応じて第２排気通路３３におけるタービンハウジング４３の排気ガス出口から背圧調整バルブ８１までの間の背圧を調節するものである。
【００５４】
更に、本実施例１にあっては、ＥＧＲ通路８０のＥＧＲガス取出口を可能な限り第２排気通路３３におけるタービンハウジング４３の排気ガス出口に近づけて配置し、少しでも背圧の高い場所から排気ガスの再循環を行わせることが好ましい。
【００５５】
ここで、本実施例１にあっては、上述したが如く高負荷運転時に排気ガスの再循環を行わせるが、低負荷運転時には排気ガスの再循環を行わない。これが為、ＥＧＲ通路８０のＥＧＲガス供給口と第１吸気通路２１との間に図１に示すＥＧＲバルブ８３を設け、このＥＧＲバルブ８３を再循環可能な排気ガス量に応じてＥＣＵ５０に開閉駆動させる。
【００５６】
ところで、本実施例１の内燃機関１０においては、低負荷運転であるか高負荷運転であるかに拘わらずＮＯｘの排出量を完全にゼロにすることは難しい。これが為、本実施例１にあっては、上述した触媒装置３４として三元触媒を用意し、これを用いて排出されたＮＯｘの還元を行う。ここで、水素は強還元剤であり反応性に富むので、本実施例１の触媒装置３４は、多少触媒温度が低くても有効にＮＯｘを還元させることができる。これが為、冷間始動時等においても有効に排気ガス中の有害成分を浄化することができる。
【００５７】
以下に、本実施例１の内燃機関１０の動作について説明する。
【００５８】
先ず、低負荷運転時の動作について詳述する。
【００５９】
本実施例１のＥＣＵ５０は、エアフロメータ２５の検出信号から低負荷運転であると判断した際、背圧調整バルブ８１とＥＧＲバルブ８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を全開にさせると共にＥＧＲバルブ８３を全閉にさせる。これにより、ＥＧＲ通路８０を介した第２排気通路３３から第１吸気通路２１への排気ガスの流入が阻止される。
【００６０】
しかる後、このＥＣＵ５０は、スロットルバルブ２６の開弁角度を調節すると共に水素燃料噴射装置６０からの水素ガスの噴射量を調節し、Ｏ2センサ３６の検出信号に基づき算出された空気過剰率λをみながら通常の希薄燃焼を実行させる。
【００６１】
ここで、本実施例１の内燃機関１０は排気ターボ過給機４０を具備しているので、その過給圧が得られる低負荷での運転条件の場合には、第１吸気通路２１からコンプレッサハウジング４１に流入してきた空気が過給されて大量の空気が燃焼室１１内へと供給される。これが為、かかる場合には、ＥＣＵ５０が算出された空気過剰率λをみながらスロットルバルブ２６の開弁角度と水素燃料噴射装置６０の水素ガスの噴射量を調節し、通常の超希薄燃焼（λ＞２燃焼）を行わせる。その際、排気ターボ過給機４０の過給効果を利用して、可能な限り空気過剰率λを大きくした超希薄燃焼を行うことが好ましい。
【００６２】
このように、この内燃機関１０の低負荷運転時においては、図２に示す如く希薄燃焼を行い、更に、排気ターボ過給機４０の過給効果が得られるときには超希薄燃焼を行うので、熱効率を高めつつＮＯｘの排出量を低減することができる。
【００６３】
ところで、本実施例１にあっては、その際に排出されたＮＯｘは前述したが如く触媒装置３４により還元される。また、水素を燃料として使用しているので、前述したが如くＣＯ，ＣＯ2やＨＣ等が排出されない。これが為、この内燃機関１０の低負荷運転時には、高効率と低エミッションの双方を両立することができる。
【００６４】
一方、高負荷運転時には次の様に動作させる。
【００６５】
本実施例１のＥＣＵ５０は、エアフロメータ２５の検出信号から高負荷運転であると判断した際、背圧調整バルブ８１とＥＧＲバルブ８３とを制御し、その背圧調整バルブ８１を閉弁方向に調節させると共にＥＧＲバルブ８３を開弁方向に調節させて排気ガス（ＥＧＲガス）を排気経路３０へと再循環させる。
【００６６】
ここで、その背圧調整バルブ８１の閉弁角度は、内燃機関１０の負荷や機関回転数等に基づいて、第２排気通路３３における背圧調整バルブ８１の上流側の背圧が当該第２排気通路３３からＥＧＲ通路８０へと排気ガスが流入し得る背圧となるように調節する。例えば、その閉弁角度は、予め実験やシミュレーションにより求め、かかる対応関係からなる背圧調整バルブ閉弁角度マップから求めてもよい。また、その第２排気通路３３における背圧調整バルブ８１の上流側に圧力センサを設け、その検出値に基づいて背圧調整バルブ８１の閉弁角度を設定してもよい。
【００６７】
一方、ＥＧＲバルブ８３の開弁角度は、算出された空気過剰率λをみながら、ストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように燃焼室１１への吸入空気量と水素ガスの噴射量と共に調節される。即ち、本実施例１のＥＣＵ５０は、上記の如く背圧調整バルブ８１を制御すると共に、ＥＧＲバルブ８３，スロットルバルブ２６及び水素燃料噴射装置６０を夫々制御して、ストイキ燃焼（λ＝１燃焼）を実行させる。
【００６８】
ここで、本実施例１の内燃機関１０は、排気ターボ過給機４０を具備しており、前述したが如く排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気経路２０に再循環させてもその過給効果が損なわれないので、ＥＧＲ運転中であっても大量の空気を燃焼室１１内に供給して高負荷運転を行うことができ、高出力化が可能になる。更に、この内燃機関１０は、ＥＣＵ５０が背圧調整バルブ８１とＥＧＲバルブ８３とを制御することによって大量の排気ガスを第１吸気通路２１へと供給することができるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。ここでも、その際に排出されたＮＯｘは、触媒装置３４によって還元される。
【００６９】
このように、この内燃機関１０においては、図２に示す如く大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させながらもストイキ燃焼（λ＝１燃焼）による高負荷運転を実現することができ、高出力化と低エミッション化を両立させることができる。
【００７０】
以上示した如く、本実施例１の水素を燃料とする内燃機関１０によれば、低負荷運転時においては希薄燃焼又は超希薄燃焼を行うことにより、所望の出力を得つつ低エミッション化を図ることができる。また、高負荷運転が求められているときには、大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させても排気ターボ過給機４０の過給効果を得て高負荷運転を行うことができるので、所望の高出力を得つつ低エミッション化を図ることができる。このように、本実施例１の内燃機関１０は、水素を燃料としながらも、低負荷から高負荷までの間において必要とする出力を発生させ且つ低エミッション化を図ることができる。
【００７１】
尚、本実施例１にあってはストイキ燃焼（λ＝１燃焼）を行わせて高負荷運転させているが、例えば、ストイキ燃焼の近傍で燃焼させて（λ≒１燃焼）高負荷運転を行ってもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。
【００７２】
また、本実施例１にあっては吸気ポート２３に燃料（水素）を噴射しているが、その燃料は燃焼室１１内に直接噴射してもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。
【実施例２】
【００７３】
次に、本発明に係る内燃機関の実施例２を図３及び図４に基づいて説明する。図３の符号１００は、本実施例２の内燃機関を示す。
【００７４】
ここで、前述した実施例１にて説明したように、排気経路３０におけるタービン４４の上流側（第１排気通路３２）と下流側（第２排気通路３３）との間においては、その上流側に対して下流側の背圧が低くなっている。これが為、例えば、その第１排気通路３２の背圧が低いとき（排気ターボ過給機４０の要求過給圧が低いとき）には、第２排気通路３３の背圧が更に低くなるので、この第２排気通路３３からＥＧＲ通路８０へと排気ガスが流入し難くなり、排気ガスを再循環させることができなくなってしまう。
【００７５】
そこで、前述した実施例１の内燃機関１０においては、排気ガスを吸気経路２０へと再循環させる為に背圧調整バルブ８１を閉弁制御している。しかしながら、その背圧調整バルブ８１が僅かでも閉弁方向へと調整されることにより、第２排気通路３３の背圧が増加して内燃機関１０の性能低下（出力低下）を招いてしまう虞がある。特に、第１排気通路３２の背圧が低いとき（排気ターボ過給機４０の要求過給圧が低いとき）には、その背圧が高いときよりも排気の抜けが悪いにも拘わらず、背圧調整バルブ８１を閉弁方向へと作動させることにより更に排気の抜けが悪くなってしまい、内燃機関１０の性能が低下してしまう虞がある。
【００７６】
そこで、本実施例２の内燃機関１００においては、前述した実施例１の内燃機関１０に別経路のＥＧＲ通路を更に追加し、２つのＥＧＲ通路を適宜使い分けることにより内燃機関１０の性能低下を回避する。
【００７７】
本実施例２にあっては、排気経路３０における排気ターボ過給機４０のタービン４４の上流側と吸気経路２０における排気ターボ過給機４０のコンプレッサ４２の下流側との間にＥＧＲ通路８４を設ける。具体的に、このＥＧＲ通路８４は、その排気経路３０の第１排気通路３２に一端（ＥＧＲガス取出口）を連通させる一方、その吸気経路２０の第２吸気通路２２におけるスロットルバルブ２６と水素燃料噴射装置６０との間に他端（ＥＧＲガス供給口）を連通させる。
【００７８】
ここで、本実施例２にあっても、ＥＧＲ通路８４のＥＧＲガス供給口と第２吸気通路２２との間には図３に示すＥＧＲバルブ８５が設けられており、このＥＧＲバルブ８５を内燃機関１０の運転状態に応じてＥＣＵ５０に開閉駆動させる。
【００７９】
以下、本実施例２にあっては、そのＥＧＲ通路８４を「第１ＥＧＲ通路８４」といい、吸気経路２０における排気ターボ過給機４０のコンプレッサ４２の上流側と排気経路３０における排気ターボ過給機４０のタービン４４の下流側との間に設けたＥＧＲ通路８０を「第２ＥＧＲ通路８０」という。また、その第１ＥＧＲ通路８４からの排気ガスの再循環を調節するＥＧＲバルブ８５については「第１ＥＧＲバルブ８５」といい、その第２ＥＧＲ通路８０からの排気ガスの再循環を調節するＥＧＲバルブ８３については「第２ＥＧＲバルブ８３」という。
【００８０】
ここでは、ＥＣＵ５０と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とにより、排気ターボ過給機４０の過給状態に応じて第１ＥＧＲ通路８４と第２ＥＧＲ通路８０とを切り替えるＥＧＲ通路切替手段が構成されている。
【００８１】
以下に、本実施例２の内燃機関１００の動作について説明する。
【００８２】
最初に、低負荷運転時の動作について詳述する。
【００８３】
本実施例２のＥＣＵ５０は、エアフロメータ２５の検出信号から低負荷運転であると判断した際、背圧調整バルブ８１と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を全開にさせると共に第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３を全閉にさせる。これにより、第１及び第２のＥＧＲ通路８４，８０を介した排気経路３０から吸気経路２０への排気ガスの再循環が阻止される。
【００８４】
しかる後、このＥＣＵ５０は、実施例１の場合と同様に、算出された空気過剰率λをみながら、スロットルバルブ２６の開弁角度を調節すると共に水素燃料噴射装置６０からの水素ガスの噴射量を調節して通常の希薄燃焼を実行させる。その際、この内燃機関１００は、排気ターボ過給機４０の過給圧が得られる低負荷での運転条件であれば、ＥＣＵ５０が算出された空気過剰率λをみながらスロットルバルブ２６の開弁角度と水素燃料噴射装置６０の水素ガスの噴射量を調節し、通常の超希薄燃焼（λ＞２燃焼）を行わせる。かかる場合にあっても、実施例１と同様に、排気ターボ過給機４０の過給効果を利用して、可能な限り空気過剰率λを大きくした超希薄燃焼を行うことが好ましい。
【００８５】
このように、本実施例２の内燃機関１００にあっても、低負荷運転時においては、図４に示す如く希薄燃焼を行い、更に、排気ターボ過給機４０の過給効果が得られれば超希薄燃焼を行うので、実施例１と同様に熱効率を高めつつＮＯｘの排出量を低減することができる。また、その際に排出されたＮＯｘについても実施例１と同様に触媒装置３４により還元される。これが為、この内燃機関１００の低負荷運転時には、高効率と低エミッションの双方を両立することができる。
【００８６】
次に、高負荷運転時の動作について詳述する。
【００８７】
先ず、ＥＣＵ５０がエアフロメータ２５の検出信号から高負荷運転であると判断し且つ然程排気ターボ過給機４０の過給効果を必要としない（即ち、要求過給圧が低い）範囲であると判断した際には、そのＥＣＵ５０が背圧調整バルブ８１と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を全開にさせると共に、第１ＥＧＲバルブ８５を開弁方向に調節させ且つ第２ＥＧＲバルブ８３を全閉にさせる。
【００８８】
その際、そのＥＣＵ５０は、算出された空気過剰率λをみながら、その第１ＥＧＲバルブ８５の開弁角度をストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように燃焼室１１への吸入空気量と水素ガスの噴射量と共に調節する。ここで、排気ターボ過給機４０の過給効果により燃焼室１１内への吸入空気量が増加する場合には、これを加味した上でストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように夫々を調節する。
【００８９】
即ち、本実施例２の内燃機関１００においては、排気ターボ過給機４０をあまり作動させずとも排気ガスを再循環させつつストイキ燃焼（λ＝１燃焼）させて高負荷運転ができる場合（以下、「第１状態」という。）、背圧調整バルブ８１を全開にさせると共に、第１ＥＧＲ通路８４からのみ排気ガスの吸気経路２０への再循環（以下、「第１ＥＧＲ」という。）を行わせる。
【００９０】
このように、この第１状態においては背圧調整バルブ８１を全開にしているので、第２排気通路３３の背圧が増加せず、内燃機関１００の性能低下を招くことなく高出力化を図ることができる。また、上記の第１ＥＧＲにより大量の排気ガスを第２吸気通路２２へと供給することができるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。ここでも、その際に排出されたＮＯｘは、触媒装置３４によって還元される。
【００９１】
これにより、この内燃機関１００は、排気ターボ過給機４０の過給効果を然程必要としない低要求過給圧の範囲内において、図４に示す如く大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させながらもストイキ燃焼（λ＝１燃焼）による高負荷運転を実現することができ、高出力化と低エミッション化を両立させることができる。
【００９２】
続いて、上述した第１状態と比して多少なりとも排気ターボ過給機４０の過給効果が必要な中要求過給圧の場合，換言すれば、多少なりとも排気ターボ過給機４０の過給効果を得なければ排気ガスを再循環させつつストイキ燃焼（λ＝１燃焼）させて高負荷運転できない場合（以下、「第２状態」という。）について説明する。
【００９３】
かかる場合、ＥＣＵ５０は、背圧調整バルブ８１と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を閉弁方向へと調節させると共に、第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３を開弁方向に調節させる。
【００９４】
ここでは、第２ＥＧＲ通路８０からの排気ガスの再循環が可能になる程度の閉弁角度へと背圧調整バルブ８１を僅かに閉弁させると共に、第１ＥＧＲバルブ８５を上記の第１状態よりも絞られた開弁角度に開弁させ且つ第２ＥＧＲバルブ８３を開弁させる。その第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３の夫々の開弁角度は、算出された空気過剰率λをみながら、ストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるようＥＣＵ５０により燃焼室１１への吸入空気量と水素ガスの噴射量と共に調節される。その際、排気ターボ過給機４０の過給効果により燃焼室１１内への吸入空気量が増加する場合には、これを加味した上でストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように夫々を調節する。
【００９５】
このように、この第２状態においては第１状態よりも第１ＥＧＲバルブ８５の開弁角度を絞っているので、第１排気通路３２の背圧が増加して排気ターボ過給機４０に過給圧を掛けることができ、大量の空気を燃焼室１１内に供給して高出力化を図ることができる。また、上記の第１ＥＧＲに加えて第２ＥＧＲ通路８０からも排気ガスの吸気経路２０への再循環（以下、「第２ＥＧＲ」という。）を行い、大量の排気ガスを吸気経路２０へと供給することができるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。ここでも、その際に排出されたＮＯｘは、触媒装置３４によって還元される。
【００９６】
これにより、この内燃機関１００は、多少なりとも排気ターボ過給機４０の過給効果を必要とする中要求過給圧の範囲内において、図４に示す如く大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させながらも排気ターボ過給機４０の過給効果を得ながらストイキ燃焼（λ＝１燃焼）による高負荷運転を実現することができ、高出力化と低エミッション化を両立させることができる。
【００９７】
続いて、第１ＥＧＲ通路８４から排気ガスが再循環されると（第１ＥＧＲが為されると）排気ターボ過給機４０の過給効果を得ることができない高要求過給圧の場合（以下、「第３状態」という。）について説明する。
【００９８】
かかる場合、ＥＣＵ５０は、背圧調整バルブ８１と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を閉弁方向へと調節させると共に、第１ＥＧＲバルブ８５を全閉にさせ且つ第２ＥＧＲバルブ８３を開弁方向に調節させる。
【００９９】
ここでは、その背圧調整バルブ８１の閉弁角度と第２ＥＧＲバルブ８３の開弁角度とを前述した実施例１の高負荷運転時と同様に調節する。その際、その第２ＥＧＲバルブ８３の開弁角度は、ストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように燃焼室１１への吸入空気量と水素ガスの噴射量と共に調節され、排気ターボ過給機４０の過給効果により燃焼室１１内への吸入空気量が増加する場合には、これを加味した上でストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように夫々を調節する。
【０１００】
これにより、この内燃機関１００においては、実施例１の高負荷運転時と同様に、排気ターボ過給機４０の過給効果を損なうことなく排気ガスの再循環（第２ＥＧＲ）を行うことができるので、ＥＧＲ運転中であっても大量の空気を燃焼室１１内に供給して高負荷運転を行うことができ、ＮＯｘの排出量の低減と高出力化の両立が可能になる。ここでも、その際に排出されたＮＯｘは、触媒装置３４によって還元される。
【０１０１】
このように、この内燃機関１００は、第１ＥＧＲが為されると排気ターボ過給機４０の過給効果を得ることができない第３状態において、図４に示す如く大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させながらもストイキ燃焼（λ＝１燃焼）による高負荷運転を実現することができ、高出力化と低エミッション化を両立させることができる。
【０１０２】
例えば、この内燃機関１００を徐々に負荷を高くしていく（換言すれば、第１状態から第３状態へと遷移させる）場合には、先ず第１ＥＧＲ通路８４からのみ排気ガスの再循環（第１ＥＧＲ）を行わせ、次に多少なりとも排気ターボ過給機４０の過給効果を必要とするときに第１ＥＧＲ通路８４と第２ＥＧＲ通路８０の双方から排気ガスの再循環（第１ＥＧＲと第２ＥＧＲの併用）を行わせる。そして、第１排気通路３２の背圧が低下（過給圧が低下）して排気ターボ過給機４０の過給効果が得られ難くなったときに第２ＥＧＲ通路８０からのみ排気ガスの再循環（第２ＥＧＲ）を行わせる。
【０１０３】
上述したが如く、この内燃機関１００の高負荷運転時においては、その運転状態（即ち、排気ターボ過給機４０に要求されている過給状態）に応じて第１ＥＧＲ通路８４と第２ＥＧＲ通路８０とを使い分けることにより、高負荷運転の全領域において高出力化と低エミッション化を両立させている。
【０１０４】
以上示した如く、本実施例２の水素を燃料とする内燃機関１００によれば、低負荷運転時においては希薄燃焼又は超希薄燃焼を行うことにより、所望の出力を得つつ低エミッション化を図ることができる。また、高負荷運転が求められているときには、排気ターボ過給機４０に要求されている過給状態に応じた過給効果を得ながらも大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させることができるので、所望の高出力を得つつ低エミッション化を図ることができる。このように、本実施例２の内燃機関１００は、水素を燃料としながらも、低負荷から高負荷までの間において必要とする出力を効率良く発生させ且つ低エミッション化を図ることができる。
【０１０５】
尚、本実施例２にあってもストイキ燃焼（λ＝１燃焼）を行わせて高負荷運転させているが、例えば、ストイキ燃焼の近傍で燃焼させて（λ≒１燃焼）高負荷運転を行ってもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。
【０１０６】
また、本実施例２にあっても吸気ポート２３に燃料（水素）を噴射しているが、その燃料は燃焼室１１内に直接噴射してもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、水素を燃料とするものに有用であり、特に、大量の排気ガスを吸気経路へと再循環させながら排気ターボ過給機による過給効果を十分に発揮させる技術に適している。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明に係る内燃機関の実施例１の構成を示す図である。
【図２】実施例１の内燃機関における負荷に応じた運転状態を示す図である。
【図３】本発明に係る内燃機関の実施例２の構成を示す図である。
【図４】実施例２の内燃機関における負荷に応じた運転状態を示す図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１０，１００ 内燃機関
１１ 燃焼室
２０ 吸気経路
２１ 第１吸気通路
２２ 第２吸気通路
２３ 吸気ポート
２５ エアフロメータ
２６ スロットルバルブ
３０ 排気経路
３１ 排気ポート
３２ 第１排気通路
３３ 第２排気通路
３４ 触媒装置
３６ Ｏ2センサ
４０ 排気ターボ過給機
４１ コンプレッサハウジング
４２ コンプレッサ
４３ タービンハウジング
４４ タービン
６０ 水素燃料噴射装置
８０ ＥＧＲ通路（第２ＥＧＲ通路）
８１ 背圧調整バルブ
８２ 背圧調整バルブアクチュエータ
８３ ＥＧＲバルブ（第２ＥＧＲバルブ）
８４ 第１ＥＧＲ通路
８５ 第１ＥＧＲバルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ターボ過給機を具備し、水素を燃料として使用する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素を燃料として使用することで排気ガス中の有害成分を大幅に低減させる内燃機関が知られている。例えば、水素を燃料とすることによって、この内燃機関は、ＣＯ（一酸化炭素），ＣＯ2（二酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）等の排出を無くすことができる。
【０００３】
ここで、かかる内燃機関においては、低負荷で且つ希薄燃焼時（例えば、空気過剰率λ＞２の超希薄燃焼時）に、熱効率を高めつつＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を低減することができ、高効率と低エミッションの両立が可能になる。
【０００４】
一方、高負荷運転時には、空気過剰率λを１に近づけて着火遅れを短くし、燃焼速度の増加を図る必要があるが、水素特有の急速燃焼によって燃焼室内の燃焼温度が急激に上昇するので、燃焼室の壁面の冷却損失が増加し、熱効率の低下と共に、大量のＮＯｘが排出されてしまう。
【０００５】
これが為、高負荷運転時には、例えば、大量の排気ガスを吸気経路に再循環（所謂ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）させながら空気過剰率λ＝１での燃焼（ストイキ燃焼）を行ってＮＯｘの排出を抑制し、その後、排気経路上の三元触媒で浄化させることにより低エミッションを実現することができる。また、かかる排気ガスの再循環により燃焼を緩慢にさせて、冷却損失を低減させることができる。例えば、水素を燃料として利用した内燃機関において排気ガスの再循環を行わせる技術としては、下記の特許文献１に開示されている。
【０００６】
しかしながら、そのような大量の排気ガスの再循環が行われると、例えば気体の水素を吸気経路（具体的には、吸気ポート）へと噴射した場合に、新たに燃焼室内へと吸入する空気量が減少してしまい、出力の低下を招いてしまう。
【０００７】
そこで、かかる内燃機関において排気ターボ過給機を具備することで、強制的に吸入空気量の増加を図る技術が存在している。例えば、水素を燃料とした内燃機関において、排気ターボ過給機を具備し、高負荷運転時に排気ガスの再循環を行うものが下記の特許文献２に開示されている。この特許文献２に開示された内燃機関においては、排気経路における排気ターボ過給機のタービンの上流側から吸気経路へと排気ガスを再循環させる技術が開示されている。
【０００８】
尚、下記の特許文献３には、軽油を燃料とした内燃機関（ディーゼルエンジン）において、排気ターボ過給機のタービンの下流側から吸気経路へと排気ガスを再循環させる技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１１６３９８号公報
【特許文献２】特開平６−２００７７１号公報
【特許文献３】特開平１１−２１０４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献２に開示された内燃機関の如く、再循環させる排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」ともいう。）の取り出し口が排気経路におけるタービンの上流側にあると、タービンハウジングの排気ガス入口の背圧が高くなり、内燃機関から排出された排気ガスがタービンハウジングへと流入する前にＥＧＲ通路から大量に吸気経路へと流れてしまうので、排気ターボ過給機により十分に出力を増加させることができない、という不都合があった。即ち、ＥＧＲガスの取り出し口がタービンよりも上流側にあると、タービンハウジングに十分な排気ガスが流れてこないので、所望の過給効果を得るだけのタービン回転数に達することができず、これが為、吸入空気量の大幅な増加が図れないので、出力を十分に増加させることができない。
【００１１】
ここで、排気ターボ過給機を具備せずに、燃料たる水素ガスを吸気バルブの閉弁後に燃焼室内へと直接噴射することによって出力の向上を図ることも考えられるが、かかる場合には、水素ガスを更に高圧で噴射させなければならず、その高圧に耐え得る水素ガスの供給路や噴射装置を用意しなければならないので、製造原価等の観点からすれば好ましくない。また、そのように水素ガスを吸気バルブの閉弁後に燃焼室内へと直接噴射する場合、高負荷運転時には必要量の水素ガスを噴射しきれない虞があり、結局の所、排気ターボ過給機が必要になってしまう。
【００１２】
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、大量の排気ガスを吸気経路に再循環させても排気ターボ過給機による過給効果を十分に得ることが可能な内燃機関を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、吸気経路又は燃焼室に水素を噴射する水素燃料噴射装置と、排気ターボ過給機とを備えた内燃機関において、排気経路における排気ターボ過給機のタービンの下流側から吸気経路における排気ターボ過給機のコンプレッサの上流側へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路を設けている。
【００１４】
この請求項１記載の内燃機関によれば、排気ガスを再循環させる際に排気経路におけるタービンの上流側の背圧が低下しないので、タービンを高速回転させることができ、排気ターボ過給機による過給効果が損なわれない。
【００１５】
また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の内燃機関において、排気経路における排気ターボ過給機のタービンの上流側から吸気経路における排気ターボ過給機のコンプレッサの下流側へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路（第１ＥＧＲ通路）を新たに設けると共に、その排気ターボ過給機の過給状態に応じて夫々のＥＧＲ通路（第１及び第２のＥＧＲ通路）を切り替えるＥＧＲ通路切替手段を設けている。
【００１６】
例えば、そのＥＧＲ通路切替手段は、請求項３記載の発明の如く、排気ターボ過給機の要求過給圧が低いときにタービンの上流側のＥＧＲ通路へと切り替え、前記排気ターボ過給機の要求過給圧が高いときに前記タービンの下流側のＥＧＲ通路へと切り替えるよう構成する。
【００１７】
ここで、そのタービンの上流側は排気経路の中でも背圧が高いので、排気ターボ過給機の要求過給圧が低いときにタービンの上流側のＥＧＲ通路を用いることにより、強制的に背圧を高くせずとも吸気経路へと排気ガスを再循環させることができる。更に、強制的に背圧を高くせずともよいので、排気の抜けの悪化が起こらず、出力の低下を抑制することができる。一方、排気ターボ過給機の要求過給圧が高いときにタービンの下流側のＥＧＲ通路へと切り替えることによって、上述した請求項１記載の内燃機関と同様の効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る内燃機関は、排気ターボ過給機の過給効果により大量の空気を燃焼室へと供給すべきときに、大量の排気ガスを吸気経路へと再循環させながらも必要とする過給圧を得ることが可能なので、ＮＯｘの排出量を低減しつつ排気ターボ過給機による十分な過給効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２０】
本発明に係る内燃機関の実施例１を図１及び図２に基づいて説明する。
【００２１】
最初に、本実施例１における内燃機関の構成について説明する。図１の符号１０は、本実施例１の内燃機関を示す。尚、ここでは１気筒のみを図示しているが、本発明は、直列やＶ型等の形式に拘らず多気筒の内燃機関にも適用される。
【００２２】
本実施例１の内燃機関１０は、図１に示す如く、燃焼室１１を形成するシリンダヘッド１２，シリンダブロック１３及びピストン１４を備えている。ここで、そのシリンダヘッド１２とシリンダブロック１３は図１に示すヘッドガスケット１５を介してボルト等で締結されており、これにより形成されるシリンダヘッド１２の下面の凹部１２ａとシリンダブロック１３のシリンダボア１３ａとの空間内にピストン１４が往復移動可能に配置される。そして、上述した燃焼室１１は、そのシリンダヘッド１２の凹部１２ａの壁面とシリンダボア１３ａの壁面とピストン１４の頂面１４ａとで囲まれた空間によって構成される。
【００２３】
ここで、この内燃機関１０においては、燃焼室１１内に外部からの空気を導く吸気経路２０と当該燃焼室１１から排出された排気ガスが流れる排気経路３０とが設けられており、その吸気経路２０と排気経路３０との間には燃焼室１１内へと大量の空気を強制的に供給する排気ターボ過給機４０が配備されている。
【００２４】
その排気ターボ過給機４０は、吸気経路２０上に配置されたコンプレッサハウジング４１内のコンプレッサ４２と、排気経路３０上に配置され、そのコンプレッサ４２と同一軸にて回転するタービンハウジング４３内のタービン４４とを備えており、そのタービンハウジング４３に流入した排気ガスでタービン４４を高速回転させることによってコンプレッサ４２を回転させ、その過給効果によって外部から大量の空気を燃焼室１１側へと送出する。
【００２５】
先ず、本実施例１の吸気経路２０について詳述する。
【００２６】
この吸気経路２０は、大別すると、外部からの空気を吸入する第１吸気通路２１と、この第１吸気通路２１に排気ターボ過給機４０のコンプレッサハウジング４１を介して接続された第２吸気通路２２と、この第２吸気通路２２を介して外部からの空気が流入し、その空気を燃焼室１１内へと供給するシリンダヘッド１２の吸気ポート２３とを備えている。
【００２７】
これが為、外部からの空気は、その第１及び第２の吸気通路２１，２２を経て吸気ポート２３へと流入し、この吸気ポート２３から燃焼室１１内へと吸入される。一方、排気ターボ過給機４０の過給効果がある場合には、第１吸気通路２１の空気がコンプレッサ４２で過給されて第２吸気通路２２へと送出され、その大量の空気が吸気ポート２３を介して燃焼室１１内に供給される。
【００２８】
ここで、この吸気経路２０を構成する第１吸気通路２１上には、外部側から順に、吸入した空気から塵埃等の異物を除去するエアクリーナ２４と、外部からの吸入空気量を検出するエアフロメータ２５とが設けられている。そのエアフロメータ２５の検出信号は内燃機関１０の制御手段たる電子制御装置（ＥＣＵ）５０へと送られ、このＥＣＵ５０にて外部からの吸入空気量が検知される。
【００２９】
また、この吸気経路２０を構成する第２吸気通路２２上には、燃焼室１１内に吸入される空気量を調節するスロットルバルブ２６が配備されている。このスロットルバルブ２６は、ＥＣＵ５０により開弁角度の制御指令が為された図１に示すスロットルバルブアクチュエータ２７によって開閉駆動され、内燃機関１０の運転状態等に応じた所望の空気量を燃焼室１１内へと吸入させる。
【００３０】
また、この吸気経路２０を構成する吸気ポート２３は、その一端が燃焼室１１に開口しており、これが為、第１及び第２の吸気通路２１，２２を経て流入してきた空気を燃焼室１１内へと導く。
【００３１】
ところで、その吸気ポート２３には、燃焼室１１との間の開口を開閉させ得る吸気バルブ２８が配設されている。これが為、その吸気バルブ２８を開弁させることによって吸気ポート２３から燃焼室１１内に空気が吸入され、その吸気バルブ２８を閉弁させることによって燃焼室１１内への空気の流入が遮断される。
【００３２】
尚、その吸気ポート２３における燃焼室１１内への開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に上述した吸気バルブ２８が配備される。
【００３３】
更に、本実施例１にあっては、その吸気ポート２３内に燃料が供給され、その吸気ポート２３にて燃料と空気とが混合された後、その混合気が燃焼室１１内へと吸入される。これが為、本実施例１のシリンダヘッド１２には、その吸気ポート２３内に燃料を供給する燃料噴射装置６０が配設されている。本実施例１にあってはその燃料として水素を使用するので、以下、その燃料噴射装置６０を「水素燃料噴射装置６０」という。
【００３４】
その水素燃料噴射装置６０には、図１に示す水素燃料タンク６１から水素燃料供給路６２を介して水素が送られる。例えば、その水素燃料タンク６１には圧縮された高圧の水素ガスが貯蔵されており、その水素ガスが水素燃料噴射装置６０へと供給される。
【００３５】
ここで、その水素燃料タンク６１と水素燃料供給路６２との接続部分には、圧力センサ６３が設けられている。また、その水素燃料供給路６２上には、水素燃料タンク６１側から順に、水素燃料タンク６１から水素ガスを吸い上げて所定の圧力に加圧した後に水素燃料供給路６２の下流側へと排出する水素ポンプ６４と、水素燃料供給路６２を流れる水素ガスの流量を検出する水素流量計６５と、内燃機関１０の運転状態等に応じた所望の圧力に水素ガスを調節する水素レギュレータ６６とが設けられている。その圧力センサ６３と水素流量計６５の検出信号は、ＥＣＵ５０へと送られる。一方、その水素ポンプ６４と水素レギュレータ６６は、圧力センサ６３と水素流量計６５からの検出値や内燃機関１０の運転状態等に応じてＥＣＵ５０により動作が制御される。
【００３６】
これにより、その水素燃料タンク６１内の水素ガスは、水素ポンプ６４により吸い上げられた後に所定の圧力に加圧され、更に、水素レギュレータ６６により内燃機関１０の運転状態等に応じた所望の圧力に調節されて水素燃料噴射装置６０に供給される。そして、この水素燃料噴射装置６０がＥＣＵ５０により指示された噴射時期や噴射量で水素ガスを吸気ポート２３内に噴射すると、その水素ガスが吸気ポート２３内の空気と混合されて燃焼室１１内に吸入される。
【００３７】
その燃焼室１１内に吸入された水素ガスと空気との混合気は、シリンダヘッド１２に設けた点火プラグ７０によって着火される。この点火プラグ７０は、その点火時期が上述したＥＣＵ５０により制御される。尚、本実施例１にあっては、その点火プラグ７０が燃焼室１１の略中央に配設されているものとして例示するが、その配設位置は必ずしもこれに限定するものではない。
【００３８】
尚、上述した水素燃料タンク６１には、水素吸蔵合金や水素吸着材料により水素を吸蔵しておいてもよく、また、液化された水素を充填していてもよい。更に、メタノールやガソリン等を水蒸気改質して水素ガスを生成する水素生成装置を設け、この水素生成装置から水素燃料噴射装置６０に水素を供給してもよい。
【００３９】
次に、本実施例１の排気経路３０について詳述する。
【００４０】
この排気経路３０は、大別すると、燃焼室１１との間の開口から燃焼後の排気ガスが流入するシリンダヘッド１２の排気ポート３１と、この排気ポート３１を介して燃焼後の排気ガスが流入する第１排気通路３２と、この第１排気通路３２に排気ターボ過給機４０のタービンハウジング４３を介して接続された第２排気通路３３と、この第２排気通路３３を通過した排気ガス中の有害成分を浄化する触媒装置３４とを備えている。
【００４１】
これが為、燃焼後の排気ガスは、その排気ポート３１と第１及び第２の排気通路３２，３３を経て触媒装置３４へと流入し、この触媒装置３４において有害成分が浄化される。一方、その排気ポート３１及び第１排気通路３２を流れる排気ガスが所定の圧力に達している（即ち、排気ターボ過給機４０の過給効果が得られる所定の過給圧に達している）場合には、その排気ガスがタービン４４を高速回転させるので、同一軸上のコンプレッサ４２の回転によって第１吸気通路２１の空気が過給され、大量の空気が燃焼室１１内へと供給される。
【００４２】
ここで、この排気経路３０を構成する排気ポート３１には、燃焼室１１との間の開口を開閉させ得る排気バルブ３５が配設されている。これが為、その排気バルブ３５を開弁させることによって燃焼室１１内から排気ポート３１に排気ガスが排出され、その排気バルブ３５を閉弁させることによって筒内ガスの排気ポート３１への排出が遮断される。
【００４３】
尚、その排気ポート３１における燃焼室１１内への開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に上述した排気バルブ３５が配備される。
【００４４】
また、この排気経路３０を構成する第２排気通路３３上には、排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ2センサ３６が設けられている。このＯ2センサ３６の検出信号はＥＣＵ５０へと送られ、このＥＣＵ５０にて実際の空燃比が算出される。このＥＣＵ５０は、その算出した実際の空燃比の値を用いて空気過剰率λ（＝実際の空燃比／理論空燃比）の算出を行う。
【００４５】
ところで、本実施例１にあっては、前述したが如く水素を燃料として使用しているので、ＣＯ，ＣＯ2やＨＣ等の排出を無くすことができる。
【００４６】
また、排気ガス中のＮＯｘについては、前述したが如く、低負荷で且つ希薄燃焼時であれば、その排出量を低減させることができる。これが為、本実施例１の内燃機関１０にあっては、低負荷運転時に排気ターボ過給機４０の過給効果で大量の空気を燃焼室１１内へと送り込み、空気過剰率λ＞２の超希薄燃焼を行わせる。
【００４７】
その一方で、高負荷運転時には前述したが如く空気過剰率λを１に近づけて燃焼させる必要があるので、大量にＮＯｘが排出されてしまう。これが為、本実施例１の内燃機関１０にあっては、高負荷運転時に大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環（ＥＧＲ）させながら、その際の新気の減少を排気ターボ過給機４０の過給効果により補って空気過剰率λ＝１で運転（ストイキ運転）させ、ＮＯｘの排出量を低減させる。
【００４８】
尚、本実施例１の内燃機関１０においては、前述したエアフロメータ２５の検出信号に基づいてＥＣＵ５０が判断している。
【００４９】
本実施例１にあっては、高負荷運転時に排気ガスを吸気経路２０へと再循環（ＥＧＲ）させる為に、その吸気経路２０と排気経路３０との間に図１に示すＥＧＲ通路８０を設けている。
【００５０】
本実施例１のＥＧＲ通路８０は、その吸気経路２０における排気ターボ過給機４０のコンプレッサ４２の上流側と排気経路３０における排気ターボ過給機４０のタービン４４の下流側との間に設け、その吸気経路２０と排気経路３０とを連通させる。具体的に、このＥＧＲ通路８０は、その吸気経路２０の第１吸気通路２１におけるエアフロメータ２５の下流側に一端（ＥＧＲガス供給口）を連通させる一方、その排気経路３０の第２排気通路３３に他端（ＥＧＲガス取出口）を連通させる。
【００５１】
これにより、本実施例１にあっては、タービンハウジング４３の排気ガス入口と連通している第１排気通路３２の背圧（過給圧）を低下させることなく、その排気ガスをタービンハウジング４３内に流入させることができる。即ち、ＥＧＲ通路８０をタービン４４の下流側の第２排気通路３３と連通させ、この第２排気通路３３から排気ガスを吸気経路２０へと再循環させるので、本実施例１の排気ターボ過給機４０は、排気ガスの再循環を行う際に、その過給圧を低下させることなくタービン４４を高速回転させることができる。これが為、大量の排気ガスを再循環させたとしても、排気ターボ過給機４０による十分な過給効果を得ることができる。
【００５２】
一方、排気経路３０におけるタービン４４の上流側（第１排気通路３２）と下流側（第２排気通路３３）とを比較してみてみると、その上流側に対して下流側の方が背圧は低くなっている。これが為、本実施例１の如くタービン４４の下流側から排気ガスを再循環させる構成を採った場合には、タービンハウジング４３から排出された第２排気通路３３の排気ガスが触媒装置３４側へと大量に流動してしまい、その排気ガスをＥＧＲ通路８０へと大量に分流させることができない虞がある。このことは、特に第１排気通路３２の背圧が低いとき（排気ターボ過給機４０の要求過給圧が低いとき）に顕著に表れ、また、ＥＧＲ通路８０のＥＧＲガス取出口が第２排気通路３３におけるタービンハウジング４３の排気ガス出口から離隔するにつれて顕著になる。
【００５３】
そこで、本実施例１にあっては、その第２排気通路３３におけるＥＧＲ通路８０のＥＧＲガス取出口の下流側直後に図１に示す背圧調整バルブ８１を設ける。この背圧調整バルブ８１は、ＥＣＵ５０により開弁角度の制御指令が為された図１に示す背圧調整バルブアクチュエータ８２によって開閉駆動され、内燃機関１０の運転状態（ここでは、高負荷運転又は低負荷運転）に応じて第２排気通路３３におけるタービンハウジング４３の排気ガス出口から背圧調整バルブ８１までの間の背圧を調節するものである。
【００５４】
更に、本実施例１にあっては、ＥＧＲ通路８０のＥＧＲガス取出口を可能な限り第２排気通路３３におけるタービンハウジング４３の排気ガス出口に近づけて配置し、少しでも背圧の高い場所から排気ガスの再循環を行わせることが好ましい。
【００５５】
ここで、本実施例１にあっては、上述したが如く高負荷運転時に排気ガスの再循環を行わせるが、低負荷運転時には排気ガスの再循環を行わない。これが為、ＥＧＲ通路８０のＥＧＲガス供給口と第１吸気通路２１との間に図１に示すＥＧＲバルブ８３を設け、このＥＧＲバルブ８３を再循環可能な排気ガス量に応じてＥＣＵ５０に開閉駆動させる。
【００５６】
ところで、本実施例１の内燃機関１０においては、低負荷運転であるか高負荷運転であるかに拘わらずＮＯｘの排出量を完全にゼロにすることは難しい。これが為、本実施例１にあっては、上述した触媒装置３４として三元触媒を用意し、これを用いて排出されたＮＯｘの還元を行う。ここで、水素は強還元剤であり反応性に富むので、本実施例１の触媒装置３４は、多少触媒温度が低くても有効にＮＯｘを還元させることができる。これが為、冷間始動時等においても有効に排気ガス中の有害成分を浄化することができる。
【００５７】
以下に、本実施例１の内燃機関１０の動作について説明する。
【００５８】
先ず、低負荷運転時の動作について詳述する。
【００５９】
本実施例１のＥＣＵ５０は、エアフロメータ２５の検出信号から低負荷運転であると判断した際、背圧調整バルブ８１とＥＧＲバルブ８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を全開にさせると共にＥＧＲバルブ８３を全閉にさせる。これにより、ＥＧＲ通路８０を介した第２排気通路３３から第１吸気通路２１への排気ガスの流入が阻止される。
【００６０】
しかる後、このＥＣＵ５０は、スロットルバルブ２６の開弁角度を調節すると共に水素燃料噴射装置６０からの水素ガスの噴射量を調節し、Ｏ2センサ３６の検出信号に基づき算出された空気過剰率λをみながら通常の希薄燃焼を実行させる。
【００６１】
ここで、本実施例１の内燃機関１０は排気ターボ過給機４０を具備しているので、その過給圧が得られる低負荷での運転条件の場合には、第１吸気通路２１からコンプレッサハウジング４１に流入してきた空気が過給されて大量の空気が燃焼室１１内へと供給される。これが為、かかる場合には、ＥＣＵ５０が算出された空気過剰率λをみながらスロットルバルブ２６の開弁角度と水素燃料噴射装置６０の水素ガスの噴射量を調節し、通常の超希薄燃焼（λ＞２燃焼）を行わせる。その際、排気ターボ過給機４０の過給効果を利用して、可能な限り空気過剰率λを大きくした超希薄燃焼を行うことが好ましい。
【００６２】
このように、この内燃機関１０の低負荷運転時においては、図２に示す如く希薄燃焼を行い、更に、排気ターボ過給機４０の過給効果が得られるときには超希薄燃焼を行うので、熱効率を高めつつＮＯｘの排出量を低減することができる。
【００６３】
ところで、本実施例１にあっては、その際に排出されたＮＯｘは前述したが如く触媒装置３４により還元される。また、水素を燃料として使用しているので、前述したが如くＣＯ，ＣＯ2やＨＣ等が排出されない。これが為、この内燃機関１０の低負荷運転時には、高効率と低エミッションの双方を両立することができる。
【００６４】
一方、高負荷運転時には次の様に動作させる。
【００６５】
本実施例１のＥＣＵ５０は、エアフロメータ２５の検出信号から高負荷運転であると判断した際、背圧調整バルブ８１とＥＧＲバルブ８３とを制御し、その背圧調整バルブ８１を閉弁方向に調節させると共にＥＧＲバルブ８３を開弁方向に調節させて排気ガス（ＥＧＲガス）を排気経路３０へと再循環させる。
【００６６】
ここで、その背圧調整バルブ８１の閉弁角度は、内燃機関１０の負荷や機関回転数等に基づいて、第２排気通路３３における背圧調整バルブ８１の上流側の背圧が当該第２排気通路３３からＥＧＲ通路８０へと排気ガスが流入し得る背圧となるように調節する。例えば、その閉弁角度は、予め実験やシミュレーションにより求め、かかる対応関係からなる背圧調整バルブ閉弁角度マップから求めてもよい。また、その第２排気通路３３における背圧調整バルブ８１の上流側に圧力センサを設け、その検出値に基づいて背圧調整バルブ８１の閉弁角度を設定してもよい。
【００６７】
一方、ＥＧＲバルブ８３の開弁角度は、算出された空気過剰率λをみながら、ストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように燃焼室１１への吸入空気量と水素ガスの噴射量と共に調節される。即ち、本実施例１のＥＣＵ５０は、上記の如く背圧調整バルブ８１を制御すると共に、ＥＧＲバルブ８３，スロットルバルブ２６及び水素燃料噴射装置６０を夫々制御して、ストイキ燃焼（λ＝１燃焼）を実行させる。
【００６８】
ここで、本実施例１の内燃機関１０は、排気ターボ過給機４０を具備しており、前述したが如く排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気経路２０に再循環させてもその過給効果が損なわれないので、ＥＧＲ運転中であっても大量の空気を燃焼室１１内に供給して高負荷運転を行うことができ、高出力化が可能になる。更に、この内燃機関１０は、ＥＣＵ５０が背圧調整バルブ８１とＥＧＲバルブ８３とを制御することによって大量の排気ガスを第１吸気通路２１へと供給することができるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。ここでも、その際に排出されたＮＯｘは、触媒装置３４によって還元される。
【００６９】
このように、この内燃機関１０においては、図２に示す如く大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させながらもストイキ燃焼（λ＝１燃焼）による高負荷運転を実現することができ、高出力化と低エミッション化を両立させることができる。
【００７０】
以上示した如く、本実施例１の水素を燃料とする内燃機関１０によれば、低負荷運転時においては希薄燃焼又は超希薄燃焼を行うことにより、所望の出力を得つつ低エミッション化を図ることができる。また、高負荷運転が求められているときには、大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させても排気ターボ過給機４０の過給効果を得て高負荷運転を行うことができるので、所望の高出力を得つつ低エミッション化を図ることができる。このように、本実施例１の内燃機関１０は、水素を燃料としながらも、低負荷から高負荷までの間において必要とする出力を発生させ且つ低エミッション化を図ることができる。
【００７１】
尚、本実施例１にあってはストイキ燃焼（λ＝１燃焼）を行わせて高負荷運転させているが、例えば、ストイキ燃焼の近傍で燃焼させて（λ≒１燃焼）高負荷運転を行ってもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。
【００７２】
また、本実施例１にあっては吸気ポート２３に燃料（水素）を噴射しているが、その燃料は燃焼室１１内に直接噴射してもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。
【実施例２】
【００７３】
次に、本発明に係る内燃機関の実施例２を図３及び図４に基づいて説明する。図３の符号１００は、本実施例２の内燃機関を示す。
【００７４】
ここで、前述した実施例１にて説明したように、排気経路３０におけるタービン４４の上流側（第１排気通路３２）と下流側（第２排気通路３３）との間においては、その上流側に対して下流側の背圧が低くなっている。これが為、例えば、その第１排気通路３２の背圧が低いとき（排気ターボ過給機４０の要求過給圧が低いとき）には、第２排気通路３３の背圧が更に低くなるので、この第２排気通路３３からＥＧＲ通路８０へと排気ガスが流入し難くなり、排気ガスを再循環させることができなくなってしまう。
【００７５】
そこで、前述した実施例１の内燃機関１０においては、排気ガスを吸気経路２０へと再循環させる為に背圧調整バルブ８１を閉弁制御している。しかしながら、その背圧調整バルブ８１が僅かでも閉弁方向へと調整されることにより、第２排気通路３３の背圧が増加して内燃機関１０の性能低下（出力低下）を招いてしまう虞がある。特に、第１排気通路３２の背圧が低いとき（排気ターボ過給機４０の要求過給圧が低いとき）には、その背圧が高いときよりも排気の抜けが悪いにも拘わらず、背圧調整バルブ８１を閉弁方向へと作動させることにより更に排気の抜けが悪くなってしまい、内燃機関１０の性能が低下してしまう虞がある。
【００７６】
そこで、本実施例２の内燃機関１００においては、前述した実施例１の内燃機関１０に別経路のＥＧＲ通路を更に追加し、２つのＥＧＲ通路を適宜使い分けることにより内燃機関１０の性能低下を回避する。
【００７７】
本実施例２にあっては、排気経路３０における排気ターボ過給機４０のタービン４４の上流側と吸気経路２０における排気ターボ過給機４０のコンプレッサ４２の下流側との間にＥＧＲ通路８４を設ける。具体的に、このＥＧＲ通路８４は、その排気経路３０の第１排気通路３２に一端（ＥＧＲガス取出口）を連通させる一方、その吸気経路２０の第２吸気通路２２におけるスロットルバルブ２６と水素燃料噴射装置６０との間に他端（ＥＧＲガス供給口）を連通させる。
【００７８】
ここで、本実施例２にあっても、ＥＧＲ通路８４のＥＧＲガス供給口と第２吸気通路２２との間には図３に示すＥＧＲバルブ８５が設けられており、このＥＧＲバルブ８５を内燃機関１０の運転状態に応じてＥＣＵ５０に開閉駆動させる。
【００７９】
以下、本実施例２にあっては、そのＥＧＲ通路８４を「第１ＥＧＲ通路８４」といい、吸気経路２０における排気ターボ過給機４０のコンプレッサ４２の上流側と排気経路３０における排気ターボ過給機４０のタービン４４の下流側との間に設けたＥＧＲ通路８０を「第２ＥＧＲ通路８０」という。また、その第１ＥＧＲ通路８４からの排気ガスの再循環を調節するＥＧＲバルブ８５については「第１ＥＧＲバルブ８５」といい、その第２ＥＧＲ通路８０からの排気ガスの再循環を調節するＥＧＲバルブ８３については「第２ＥＧＲバルブ８３」という。
【００８０】
ここでは、ＥＣＵ５０と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とにより、排気ターボ過給機４０の過給状態に応じて第１ＥＧＲ通路８４と第２ＥＧＲ通路８０とを切り替えるＥＧＲ通路切替手段が構成されている。
【００８１】
以下に、本実施例２の内燃機関１００の動作について説明する。
【００８２】
最初に、低負荷運転時の動作について詳述する。
【００８３】
本実施例２のＥＣＵ５０は、エアフロメータ２５の検出信号から低負荷運転であると判断した際、背圧調整バルブ８１と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を全開にさせると共に第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３を全閉にさせる。これにより、第１及び第２のＥＧＲ通路８４，８０を介した排気経路３０から吸気経路２０への排気ガスの再循環が阻止される。
【００８４】
しかる後、このＥＣＵ５０は、実施例１の場合と同様に、算出された空気過剰率λをみながら、スロットルバルブ２６の開弁角度を調節すると共に水素燃料噴射装置６０からの水素ガスの噴射量を調節して通常の希薄燃焼を実行させる。その際、この内燃機関１００は、排気ターボ過給機４０の過給圧が得られる低負荷での運転条件であれば、ＥＣＵ５０が算出された空気過剰率λをみながらスロットルバルブ２６の開弁角度と水素燃料噴射装置６０の水素ガスの噴射量を調節し、通常の超希薄燃焼（λ＞２燃焼）を行わせる。かかる場合にあっても、実施例１と同様に、排気ターボ過給機４０の過給効果を利用して、可能な限り空気過剰率λを大きくした超希薄燃焼を行うことが好ましい。
【００８５】
このように、本実施例２の内燃機関１００にあっても、低負荷運転時においては、図４に示す如く希薄燃焼を行い、更に、排気ターボ過給機４０の過給効果が得られれば超希薄燃焼を行うので、実施例１と同様に熱効率を高めつつＮＯｘの排出量を低減することができる。また、その際に排出されたＮＯｘについても実施例１と同様に触媒装置３４により還元される。これが為、この内燃機関１００の低負荷運転時には、高効率と低エミッションの双方を両立することができる。
【００８６】
次に、高負荷運転時の動作について詳述する。
【００８７】
先ず、ＥＣＵ５０がエアフロメータ２５の検出信号から高負荷運転であると判断し且つ然程排気ターボ過給機４０の過給効果を必要としない（即ち、要求過給圧が低い）範囲であると判断した際には、そのＥＣＵ５０が背圧調整バルブ８１と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を全開にさせると共に、第１ＥＧＲバルブ８５を開弁方向に調節させ且つ第２ＥＧＲバルブ８３を全閉にさせる。
【００８８】
その際、そのＥＣＵ５０は、算出された空気過剰率λをみながら、その第１ＥＧＲバルブ８５の開弁角度をストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように燃焼室１１への吸入空気量と水素ガスの噴射量と共に調節する。ここで、排気ターボ過給機４０の過給効果により燃焼室１１内への吸入空気量が増加する場合には、これを加味した上でストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように夫々を調節する。
【００８９】
即ち、本実施例２の内燃機関１００においては、排気ターボ過給機４０をあまり作動させずとも排気ガスを再循環させつつストイキ燃焼（λ＝１燃焼）させて高負荷運転ができる場合（以下、「第１状態」という。）、背圧調整バルブ８１を全開にさせると共に、第１ＥＧＲ通路８４からのみ排気ガスの吸気経路２０への再循環（以下、「第１ＥＧＲ」という。）を行わせる。
【００９０】
このように、この第１状態においては背圧調整バルブ８１を全開にしているので、第２排気通路３３の背圧が増加せず、内燃機関１００の性能低下を招くことなく高出力化を図ることができる。また、上記の第１ＥＧＲにより大量の排気ガスを第２吸気通路２２へと供給することができるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。ここでも、その際に排出されたＮＯｘは、触媒装置３４によって還元される。
【００９１】
これにより、この内燃機関１００は、排気ターボ過給機４０の過給効果を然程必要としない低要求過給圧の範囲内において、図４に示す如く大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させながらもストイキ燃焼（λ＝１燃焼）による高負荷運転を実現することができ、高出力化と低エミッション化を両立させることができる。
【００９２】
続いて、上述した第１状態と比して多少なりとも排気ターボ過給機４０の過給効果が必要な中要求過給圧の場合，換言すれば、多少なりとも排気ターボ過給機４０の過給効果を得なければ排気ガスを再循環させつつストイキ燃焼（λ＝１燃焼）させて高負荷運転できない場合（以下、「第２状態」という。）について説明する。
【００９３】
かかる場合、ＥＣＵ５０は、背圧調整バルブ８１と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を閉弁方向へと調節させると共に、第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３を開弁方向に調節させる。
【００９４】
ここでは、第２ＥＧＲ通路８０からの排気ガスの再循環が可能になる程度の閉弁角度へと背圧調整バルブ８１を僅かに閉弁させると共に、第１ＥＧＲバルブ８５を上記の第１状態よりも絞られた開弁角度に開弁させ且つ第２ＥＧＲバルブ８３を開弁させる。その第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３の夫々の開弁角度は、算出された空気過剰率λをみながら、ストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるようＥＣＵ５０により燃焼室１１への吸入空気量と水素ガスの噴射量と共に調節される。その際、排気ターボ過給機４０の過給効果により燃焼室１１内への吸入空気量が増加する場合には、これを加味した上でストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように夫々を調節する。
【００９５】
このように、この第２状態においては第１状態よりも第１ＥＧＲバルブ８５の開弁角度を絞っているので、第１排気通路３２の背圧が増加して排気ターボ過給機４０に過給圧を掛けることができ、大量の空気を燃焼室１１内に供給して高出力化を図ることができる。また、上記の第１ＥＧＲに加えて第２ＥＧＲ通路８０からも排気ガスの吸気経路２０への再循環（以下、「第２ＥＧＲ」という。）を行い、大量の排気ガスを吸気経路２０へと供給することができるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。ここでも、その際に排出されたＮＯｘは、触媒装置３４によって還元される。
【００９６】
これにより、この内燃機関１００は、多少なりとも排気ターボ過給機４０の過給効果を必要とする中要求過給圧の範囲内において、図４に示す如く大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させながらも排気ターボ過給機４０の過給効果を得ながらストイキ燃焼（λ＝１燃焼）による高負荷運転を実現することができ、高出力化と低エミッション化を両立させることができる。
【００９７】
続いて、第１ＥＧＲ通路８４から排気ガスが再循環されると（第１ＥＧＲが為されると）排気ターボ過給機４０の過給効果を得ることができない高要求過給圧の場合（以下、「第３状態」という。）について説明する。
【００９８】
かかる場合、ＥＣＵ５０は、背圧調整バルブ８１と第１及び第２のＥＧＲバルブ８５，８３とを制御して、その背圧調整バルブ８１を閉弁方向へと調節させると共に、第１ＥＧＲバルブ８５を全閉にさせ且つ第２ＥＧＲバルブ８３を開弁方向に調節させる。
【００９９】
ここでは、その背圧調整バルブ８１の閉弁角度と第２ＥＧＲバルブ８３の開弁角度とを前述した実施例１の高負荷運転時と同様に調節する。その際、その第２ＥＧＲバルブ８３の開弁角度は、ストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように燃焼室１１への吸入空気量と水素ガスの噴射量と共に調節され、排気ターボ過給機４０の過給効果により燃焼室１１内への吸入空気量が増加する場合には、これを加味した上でストイキ燃焼（λ＝１燃焼）が行われるように夫々を調節する。
【０１００】
これにより、この内燃機関１００においては、実施例１の高負荷運転時と同様に、排気ターボ過給機４０の過給効果を損なうことなく排気ガスの再循環（第２ＥＧＲ）を行うことができるので、ＥＧＲ運転中であっても大量の空気を燃焼室１１内に供給して高負荷運転を行うことができ、ＮＯｘの排出量の低減と高出力化の両立が可能になる。ここでも、その際に排出されたＮＯｘは、触媒装置３４によって還元される。
【０１０１】
このように、この内燃機関１００は、第１ＥＧＲが為されると排気ターボ過給機４０の過給効果を得ることができない第３状態において、図４に示す如く大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させながらもストイキ燃焼（λ＝１燃焼）による高負荷運転を実現することができ、高出力化と低エミッション化を両立させることができる。
【０１０２】
例えば、この内燃機関１００を徐々に負荷を高くしていく（換言すれば、第１状態から第３状態へと遷移させる）場合には、先ず第１ＥＧＲ通路８４からのみ排気ガスの再循環（第１ＥＧＲ）を行わせ、次に多少なりとも排気ターボ過給機４０の過給効果を必要とするときに第１ＥＧＲ通路８４と第２ＥＧＲ通路８０の双方から排気ガスの再循環（第１ＥＧＲと第２ＥＧＲの併用）を行わせる。そして、第１排気通路３２の背圧が低下（過給圧が低下）して排気ターボ過給機４０の過給効果が得られ難くなったときに第２ＥＧＲ通路８０からのみ排気ガスの再循環（第２ＥＧＲ）を行わせる。
【０１０３】
上述したが如く、この内燃機関１００の高負荷運転時においては、その運転状態（即ち、排気ターボ過給機４０に要求されている過給状態）に応じて第１ＥＧＲ通路８４と第２ＥＧＲ通路８０とを使い分けることにより、高負荷運転の全領域において高出力化と低エミッション化を両立させている。
【０１０４】
以上示した如く、本実施例２の水素を燃料とする内燃機関１００によれば、低負荷運転時においては希薄燃焼又は超希薄燃焼を行うことにより、所望の出力を得つつ低エミッション化を図ることができる。また、高負荷運転が求められているときには、排気ターボ過給機４０に要求されている過給状態に応じた過給効果を得ながらも大量の排気ガスを吸気経路２０へと再循環させることができるので、所望の高出力を得つつ低エミッション化を図ることができる。このように、本実施例２の内燃機関１００は、水素を燃料としながらも、低負荷から高負荷までの間において必要とする出力を効率良く発生させ且つ低エミッション化を図ることができる。
【０１０５】
尚、本実施例２にあってもストイキ燃焼（λ＝１燃焼）を行わせて高負荷運転させているが、例えば、ストイキ燃焼の近傍で燃焼させて（λ≒１燃焼）高負荷運転を行ってもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。
【０１０６】
また、本実施例２にあっても吸気ポート２３に燃料（水素）を噴射しているが、その燃料は燃焼室１１内に直接噴射してもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、水素を燃料とするものに有用であり、特に、大量の排気ガスを吸気経路へと再循環させながら排気ターボ過給機による過給効果を十分に発揮させる技術に適している。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明に係る内燃機関の実施例１の構成を示す図である。
【図２】実施例１の内燃機関における負荷に応じた運転状態を示す図である。
【図３】本発明に係る内燃機関の実施例２の構成を示す図である。
【図４】実施例２の内燃機関における負荷に応じた運転状態を示す図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１０，１００ 内燃機関
１１ 燃焼室
２０ 吸気経路
２１ 第１吸気通路
２２ 第２吸気通路
２３ 吸気ポート
２５ エアフロメータ
２６ スロットルバルブ
３０ 排気経路
３１ 排気ポート
３２ 第１排気通路
３３ 第２排気通路
３４ 触媒装置
３６ Ｏ2センサ
４０ 排気ターボ過給機
４１ コンプレッサハウジング
４２ コンプレッサ
４３ タービンハウジング
４４ タービン
６０ 水素燃料噴射装置
８０ ＥＧＲ通路（第２ＥＧＲ通路）
８１ 背圧調整バルブ
８２ 背圧調整バルブアクチュエータ
８３ ＥＧＲバルブ（第２ＥＧＲバルブ）
８４ 第１ＥＧＲ通路
８５ 第１ＥＧＲバルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気経路又は燃焼室に水素を噴射する水素燃料噴射装置と、排気ターボ過給機とを備えた内燃機関であって、
排気経路における前記排気ターボ過給機のタービンの下流側から前記吸気経路における前記排気ターボ過給機のコンプレッサの上流側へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路を設けたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記排気経路における前記排気ターボ過給機のタービンの上流側から前記吸気経路における前記排気ターボ過給機のコンプレッサの下流側へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路を新たに設けると共に、前記排気ターボ過給機の過給状態に応じて前記夫々のＥＧＲ通路を切り替えるＥＧＲ通路切替手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記ＥＧＲ通路切替手段は、前記排気ターボ過給機の要求過給圧が低いときに前記タービンの上流側のＥＧＲ通路へと切り替え、前記排気ターボ過給機の要求過給圧が高いときに前記タービンの下流側のＥＧＲ通路へと切り替えるよう構成したことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
【請求項１】
吸気経路又は燃焼室に水素を噴射する水素燃料噴射装置と、排気ターボ過給機とを備えた内燃機関であって、
排気経路における前記排気ターボ過給機のタービンの下流側から前記吸気経路における前記排気ターボ過給機のコンプレッサの上流側へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路を設けたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記排気経路における前記排気ターボ過給機のタービンの上流側から前記吸気経路における前記排気ターボ過給機のコンプレッサの下流側へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路を新たに設けると共に、前記排気ターボ過給機の過給状態に応じて前記夫々のＥＧＲ通路を切り替えるＥＧＲ通路切替手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記ＥＧＲ通路切替手段は、前記排気ターボ過給機の要求過給圧が低いときに前記タービンの上流側のＥＧＲ通路へと切り替え、前記排気ターボ過給機の要求過給圧が高いときに前記タービンの下流側のＥＧＲ通路へと切り替えるよう構成したことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２９９８９０（Ｐ２００６−２９９８９０Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１２１２５２（Ｐ２００５−１２１２５２）
【出願日】平成１７年４月１９日（２００５．４．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１９日（２００５．４．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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