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JP2006299890A - Internal combustion engine - Google Patents

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JP2006299890A
JP2006299890A JP2005121252A JP2005121252A JP2006299890A JP 2006299890 A JP2006299890 A JP 2006299890A JP 2005121252 A JP2005121252 A JP 2005121252A JP 2005121252 A JP2005121252 A JP 2005121252A JP 2006299890 A JP2006299890 A JP 2006299890A
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JP
Japan
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exhaust
passage
egr
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2005121252A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomohiro Shinagawa
知広 品川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2005121252A priority Critical patent/JP2006299890A/en
Publication of JP2006299890A publication Critical patent/JP2006299890A/en
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M26/02EGR systems specially adapted for supercharged engines
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Abstract

【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。
【選択図】 図1
To sufficiently obtain a supercharging effect by an exhaust turbocharger even if a large amount of exhaust gas is recirculated to an intake passage.
A hydrogen fuel injection device 60 for injecting hydrogen as fuel into an intake passage 20 or a combustion chamber 11 and an exhaust turbocharger 40 for forcibly supplying a large amount of air into the combustion chamber 11 are provided. In the internal combustion engine 10, the downstream side (second exhaust passage 33) of the exhaust turbocharger 40 in the exhaust path 30 to the upstream side (first intake air) of the compressor 42 of the exhaust turbocharger 40 in the intake path 20. Providing an EGR passage 80 for recirculating the exhaust gas to the passage 21);
[Selection] Figure 1

Description

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。   The present invention relates to an internal combustion engine that includes an exhaust turbocharger and uses hydrogen as a fuel.

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。 Conventionally, there is known an internal combustion engine that significantly reduces harmful components in exhaust gas by using hydrogen as a fuel. For example, by using hydrogen as a fuel, the internal combustion engine can eliminate emissions of CO (carbon monoxide), CO 2 (carbon dioxide), HC (hydrocarbon), and the like.

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。   Here, in such an internal combustion engine, the amount of NOx (nitrogen oxide) emission is reduced while increasing the thermal efficiency at the time of lean combustion at low load (for example, at the time of super lean combustion with an excess air ratio λ> 2). It is possible to achieve both high efficiency and low emission.

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。   On the other hand, during high-load operation, the excess air ratio λ needs to be close to 1 to shorten the ignition delay and increase the combustion speed, but the combustion temperature in the combustion chamber rises rapidly due to the rapid combustion characteristic of hydrogen. The cooling loss of the wall surface of the combustion chamber increases, and a large amount of NOx is discharged with a decrease in thermal efficiency.

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。   For this reason, during high-load operation, for example, a large amount of exhaust gas is recirculated into the intake passage (so-called EGR: Exhaust Gas Recirculation), and combustion with an excess air ratio λ = 1 (stoichiometric combustion) is performed to exhaust NOx. Low emission can be realized by suppressing the amount and then purifying with a three-way catalyst on the exhaust path. In addition, the exhaust gas can be recirculated to slow down the combustion and reduce the cooling loss. For example, a technique for recirculating exhaust gas in an internal combustion engine using hydrogen as a fuel is disclosed in Patent Document 1 below.

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。   However, when such a large amount of exhaust gas is recirculated, for example, when gaseous hydrogen is injected into the intake passage (specifically, the intake port), the amount of air newly taken into the combustion chamber Will decrease, leading to a decrease in output.

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。   Therefore, there is a technique for forcibly increasing the amount of intake air by providing an exhaust turbocharger in such an internal combustion engine. For example, Patent Document 2 below discloses an internal combustion engine using hydrogen as a fuel, which includes an exhaust turbocharger and recirculates exhaust gas during high load operation. In the internal combustion engine disclosed in Patent Document 2, a technique for recirculating exhaust gas from an upstream side of a turbine of an exhaust turbocharger in an exhaust path to an intake path is disclosed.

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。   Patent Document 3 below discloses a technique for recirculating exhaust gas from the downstream side of the turbine of the exhaust turbocharger to the intake path in an internal combustion engine (diesel engine) using light oil as fuel. .

特開2004−116398号公報JP 2004-116398 A 特開平6−200771号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-200771 特開平11−210449号公報JP-A-11-210449

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。   However, as in the internal combustion engine disclosed in Patent Document 2 above, if the exhaust port for recirculated exhaust gas (hereinafter also referred to as “EGR gas”) is on the upstream side of the turbine in the exhaust path, the exhaust of the turbine housing Since the back pressure at the gas inlet becomes high and exhaust gas discharged from the internal combustion engine flows into the intake passage in large quantities from the EGR passage before flowing into the turbine housing, sufficient output is provided by the exhaust turbocharger. There was an inconvenience that it could not be increased. That is, if the EGR gas take-out port is upstream of the turbine, sufficient exhaust gas does not flow into the turbine housing, so that the turbine rotation speed sufficient to obtain the desired supercharging effect cannot be reached. Therefore, since the intake air amount cannot be increased significantly, the output cannot be increased sufficiently.

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。   Here, it is conceivable to improve the output by directly injecting hydrogen gas as fuel into the combustion chamber after closing the intake valve without providing an exhaust turbocharger. Hydrogen gas must be injected at a higher pressure, and a hydrogen gas supply path and injection device capable of withstanding the high pressure must be prepared, which is not preferable from the viewpoint of manufacturing costs. In addition, when hydrogen gas is directly injected into the combustion chamber after closing the intake valve, there is a risk that the required amount of hydrogen gas may not be injected during high-load operation. Will be needed.

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。   Therefore, the present invention provides an internal combustion engine that can improve the disadvantages of the conventional example and can sufficiently obtain the supercharging effect by the exhaust turbocharger even when a large amount of exhaust gas is recirculated to the intake passage. The purpose is to do.

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。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in an internal combustion engine including a hydrogen fuel injection device for injecting hydrogen into an intake passage or a combustion chamber and an exhaust turbocharger, an exhaust turbocharger in the exhaust passage is provided. An EGR passage for recirculating exhaust gas from the downstream side of the turbine of the feeder to the upstream side of the compressor of the exhaust turbocharger in the intake path is provided.

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。   According to the internal combustion engine of the first aspect, when the exhaust gas is recirculated, the back pressure on the upstream side of the turbine in the exhaust path does not decrease, so the turbine can be rotated at a high speed, and the exhaust turbocharger can The supercharging effect is not impaired.

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。   In order to achieve the above object, according to a second aspect of the present invention, in the internal combustion engine according to the first aspect, the exhaust turbocharger in the intake path from the upstream side of the turbine of the exhaust turbocharger in the exhaust path. A new EGR passage (first EGR passage) for recirculating the exhaust gas to the downstream side of the compressor is newly provided, and each EGR passage (first and second EGR passages) according to the supercharging state of the exhaust turbocharger. EGR passage switching means for switching the passage) is provided.

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。   For example, the EGR passage switching means switches to the EGR passage on the upstream side of the turbine when the required supercharging pressure of the exhaust turbocharger is low, as in the third aspect of the invention. When the required supercharging pressure is high, it is configured to switch to the EGR passage on the downstream side of the turbine.

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。   Here, since the back pressure on the upstream side of the turbine is high even in the exhaust path, the back pressure is forcibly used by using the EGR passage on the upstream side of the turbine when the required supercharging pressure of the exhaust turbocharger is low. It is possible to recirculate the exhaust gas to the intake passage without increasing the value. Furthermore, since it is not necessary to forcibly increase the back pressure, the deterioration of exhaust escape does not occur, and a decrease in output can be suppressed. On the other hand, by switching to the EGR passage on the downstream side of the turbine when the required supercharging pressure of the exhaust turbocharger is high, it is possible to achieve the same effect as the internal combustion engine according to claim 1 described above.

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。   The internal combustion engine according to the present invention requires a large amount of exhaust gas to be recirculated to the intake passage when a large amount of air is to be supplied to the combustion chamber due to the supercharging effect of the exhaust turbocharger. Since the supply pressure can be obtained, a sufficient supercharging effect by the exhaust turbocharger can be obtained while reducing the NOx emission amount.

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。   Embodiments of an internal combustion engine according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments.

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。   A first embodiment of an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to FIGS.

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。   First, the configuration of the internal combustion engine in the first embodiment will be described. Reference numeral 10 in FIG. 1 indicates the internal combustion engine of the first embodiment. Although only one cylinder is shown here, the present invention is applicable to a multi-cylinder internal combustion engine regardless of the type such as in-line or V-type.

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。   The internal combustion engine 10 of the first embodiment includes a cylinder head 12, a cylinder block 13, and a piston 14 that form a combustion chamber 11, as shown in FIG. Here, the cylinder head 12 and the cylinder block 13 are fastened with bolts or the like via the head gasket 15 shown in FIG. 1, and the recess 12a on the lower surface of the cylinder head 12 and the cylinder bore 13a of the cylinder block 13 formed thereby. In the space, the piston 14 is disposed so as to be reciprocally movable. The combustion chamber 11 described above is constituted by a space surrounded by the wall surface of the recess 12 a of the cylinder head 12, the wall surface of the cylinder bore 13 a, and the top surface 14 a of the piston 14.

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。   Here, in the internal combustion engine 10, an intake passage 20 that guides air from outside into the combustion chamber 11 and an exhaust passage 30 through which the exhaust gas discharged from the combustion chamber 11 flows are provided. An exhaust turbocharger 40 that forcibly supplies a large amount of air into the combustion chamber 11 is arranged between the exhaust passage 20 and the exhaust passage 30.

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。   The exhaust turbocharger 40 includes a compressor 42 in a compressor housing 41 disposed on the intake path 20, and a turbine in a turbine housing 43 disposed on the exhaust path 30 and rotating on the same axis as the compressor 42. 44, the compressor 44 is rotated by rotating the turbine 44 at high speed with the exhaust gas flowing into the turbine housing 43, and a large amount of air is sent from the outside to the combustion chamber 11 side due to the supercharging effect. .

先ず、本実施例1の吸気経路20について詳述する。   First, the intake path 20 of the first embodiment will be described in detail.

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。   The intake passage 20 is roughly divided into a first intake passage 21 for sucking in air from the outside, and a second intake air connected to the first intake passage 21 via a compressor housing 41 of the exhaust turbocharger 40. A passage 22 and an intake port 23 of the cylinder head 12 for supplying air from outside through the second intake passage 22 and supplying the air into the combustion chamber 11 are provided.

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。   For this reason, air from the outside flows into the intake port 23 through the first and second intake passages 21 and 22 and is sucked into the combustion chamber 11 from the intake port 23. On the other hand, when there is a supercharging effect of the exhaust turbocharger 40, the air in the first intake passage 21 is supercharged by the compressor 42 and sent to the second intake passage 22, and a large amount of the air is taken in the intake port. The fuel is supplied into the combustion chamber 11 through 23.

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。   Here, on the first intake passage 21 constituting the intake passage 20, an air cleaner 24 for removing foreign matters such as dust from the intake air in order from the outside, and an air flow meter for detecting the amount of intake air from the outside 25. The detection signal of the air flow meter 25 is sent to an electronic control unit (ECU) 50 which is a control means of the internal combustion engine 10, and the ECU 50 detects the amount of intake air from the outside.

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。   A throttle valve 26 that adjusts the amount of air taken into the combustion chamber 11 is disposed on the second intake passage 22 constituting the intake passage 20. The throttle valve 26 is driven to open and close by the throttle valve actuator 27 shown in FIG. Inhaled into the mouth.

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。   In addition, one end of the intake port 23 constituting the intake path 20 is open to the combustion chamber 11, so that the air flowing in through the first and second intake passages 21, 22 is taken into the combustion chamber 11. Lead in.

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。   By the way, the intake port 23 is provided with an intake valve 28 that can open and close an opening between the intake port 23 and the combustion chamber 11. Therefore, air is sucked into the combustion chamber 11 from the intake port 23 by opening the intake valve 28, and the inflow of air into the combustion chamber 11 is blocked by closing the intake valve 28. .

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。   The number of openings into the combustion chamber 11 in the intake port 23 may be one or more, and the above-described intake valve 28 is provided for each opening.

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。   Further, in the first embodiment, fuel is supplied into the intake port 23, and after the fuel and air are mixed at the intake port 23, the mixture is sucked into the combustion chamber 11. The For this reason, the cylinder head 12 of the first embodiment is provided with a fuel injection device 60 for supplying fuel into the intake port 23 thereof. In the first embodiment, since hydrogen is used as the fuel, the fuel injection device 60 is hereinafter referred to as “hydrogen fuel injection device 60”.

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。   Hydrogen is sent to the hydrogen fuel injection device 60 from the hydrogen fuel tank 61 shown in FIG. For example, the hydrogen fuel tank 61 stores compressed high-pressure hydrogen gas, and the hydrogen gas is supplied to the hydrogen fuel injection device 60.

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。   Here, a pressure sensor 63 is provided at a connection portion between the hydrogen fuel tank 61 and the hydrogen fuel supply path 62. On the hydrogen fuel supply path 62, the hydrogen gas is sucked up from the hydrogen fuel tank 61 in order from the hydrogen fuel tank 61 side and pressurized to a predetermined pressure, and then discharged to the downstream side of the hydrogen fuel supply path 62. A hydrogen pump 64, a hydrogen flow meter 65 for detecting the flow rate of hydrogen gas flowing through the hydrogen fuel supply passage 62, and a hydrogen regulator 66 for adjusting the hydrogen gas to a desired pressure according to the operating state of the internal combustion engine 10 are provided. It has been. Detection signals from the pressure sensor 63 and the hydrogen flow meter 65 are sent to the ECU 50. On the other hand, the operation of the hydrogen pump 64 and the hydrogen regulator 66 is controlled by the ECU 50 in accordance with the detection values from the pressure sensor 63 and the hydrogen flow meter 65, the operating state of the internal combustion engine 10, and the like.

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。   As a result, the hydrogen gas in the hydrogen fuel tank 61 is sucked up by the hydrogen pump 64 and then pressurized to a predetermined pressure. Further, the hydrogen regulator 66 controls the hydrogen gas to a desired pressure corresponding to the operating state of the internal combustion engine 10. It is adjusted and supplied to the hydrogen fuel injection device 60. When the hydrogen fuel injection device 60 injects hydrogen gas into the intake port 23 at the injection timing or injection amount instructed by the ECU 50, the hydrogen gas is mixed with the air in the intake port 23 to enter the combustion chamber 11. Inhaled.

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。   The mixture of hydrogen gas and air sucked into the combustion chamber 11 is ignited by a spark plug 70 provided in the cylinder head 12. The ignition timing of the ignition plug 70 is controlled by the ECU 50 described above. In the first embodiment, the spark plug 70 is illustrated as being disposed approximately at the center of the combustion chamber 11, but the position of the spark plug 70 is not necessarily limited thereto.

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。   The hydrogen fuel tank 61 described above may store hydrogen with a hydrogen storage alloy or a hydrogen adsorbing material, or may be filled with liquefied hydrogen. Furthermore, a hydrogen generation device that generates hydrogen gas by steam reforming methanol, gasoline, or the like may be provided, and hydrogen may be supplied from the hydrogen generation device to the hydrogen fuel injection device 60.

次に、本実施例1の排気経路30について詳述する。   Next, the exhaust path 30 of the first embodiment will be described in detail.

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。   The exhaust path 30 is roughly divided into an exhaust port 31 of the cylinder head 12 into which the exhaust gas after combustion flows from an opening between the combustion chamber 11 and the exhaust gas after combustion flows through the exhaust port 31. The first exhaust passage 32, the second exhaust passage 33 connected to the first exhaust passage 32 via the turbine housing 43 of the exhaust turbocharger 40, and the exhaust gas that has passed through the second exhaust passage 33. And a catalytic device 34 for purifying harmful components.

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。   Therefore, the exhaust gas after combustion flows into the catalyst device 34 through the exhaust port 31 and the first and second exhaust passages 32 and 33, and harmful components are purified in the catalyst device 34. On the other hand, the exhaust gas flowing through the exhaust port 31 and the first exhaust passage 32 reaches a predetermined pressure (that is, reaches a predetermined supercharging pressure at which the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40 is obtained). In this case, since the exhaust gas rotates the turbine 44 at a high speed, the air in the first intake passage 21 is supercharged by the rotation of the compressor 42 on the same shaft, and a large amount of air is supplied into the combustion chamber 11. .

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。   Here, an exhaust valve 35 that can open and close an opening between the exhaust port 31 and the combustion chamber 11 is disposed in the exhaust port 31 constituting the exhaust path 30. Therefore, the exhaust gas is discharged from the combustion chamber 11 to the exhaust port 31 by opening the exhaust valve 35, and the exhaust of the in-cylinder gas to the exhaust port 31 is blocked by closing the exhaust valve 35. Is done.

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。   The number of openings into the combustion chamber 11 in the exhaust port 31 may be one or plural, and the exhaust valve 35 described above is provided for each opening.

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。 Further, an O 2 sensor 36 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas is provided on the second exhaust passage 33 constituting the exhaust path 30. The detection signal of the O 2 sensor 36 is sent to the ECU 50, where the actual air-fuel ratio is calculated. The ECU 50 calculates the excess air ratio λ (= actual air / fuel ratio / theoretical air / fuel ratio) using the calculated actual air / fuel ratio.

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。 By the way, in the first embodiment, as described above, hydrogen is used as a fuel, so that it is possible to eliminate emissions of CO, CO 2 , HC, and the like.

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。   Further, as described above, the amount of NOx contained in the exhaust gas can be reduced if the load is low and the combustion is lean. For this reason, in the internal combustion engine 10 of the first embodiment, a large amount of air is sent into the combustion chamber 11 by the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40 during low load operation, and the excess air ratio λ> 2 Causes ultra lean combustion.

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。   On the other hand, during high load operation, as described above, it is necessary to burn the excess air ratio λ close to 1, so that a large amount of NOx is discharged. Therefore, in the internal combustion engine 10 of the first embodiment, a large amount of exhaust gas is recirculated (EGR) to the intake path 20 during high load operation, and the reduction of fresh air at that time is reduced by the exhaust turbocharger. By supplementing with the supercharging effect of the machine 40, the operation is performed with the excess air ratio λ = 1 (stoichiometric operation), and the NOx emission amount is reduced.

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。   In the internal combustion engine 10 of the first embodiment, the ECU 50 makes a determination based on the detection signal of the air flow meter 25 described above.

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。   In the first embodiment, in order to recirculate (EGR) the exhaust gas to the intake path 20 during high load operation, the EGR path 80 shown in FIG. 1 is provided between the intake path 20 and the exhaust path 30. Provided.

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。   The EGR passage 80 according to the first embodiment is provided between the upstream side of the compressor 42 of the exhaust turbocharger 40 in the intake path 20 and the downstream side of the turbine 44 of the exhaust turbocharger 40 in the exhaust path 30. The intake path 20 and the exhaust path 30 are communicated. Specifically, the EGR passage 80 has one end (EGR gas supply port) communicating with the downstream side of the air flow meter 25 in the first intake passage 21 of the intake passage 20, while the second exhaust passage 33 of the exhaust passage 30. To the other end (EGR gas outlet).

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。   As a result, in the first embodiment, the exhaust gas is supplied to the turbine housing 43 without reducing the back pressure (supercharging pressure) of the first exhaust passage 32 communicating with the exhaust gas inlet of the turbine housing 43. Can flow in. That is, the EGR passage 80 is communicated with the second exhaust passage 33 on the downstream side of the turbine 44, and the exhaust gas is recirculated from the second exhaust passage 33 to the intake passage 20, so that the exhaust turbocharger according to the first embodiment is used. The machine 40 can rotate the turbine 44 at a high speed without lowering the supercharging pressure when the exhaust gas is recirculated. Therefore, even when a large amount of exhaust gas is recirculated, a sufficient supercharging effect by the exhaust turbocharger 40 can be obtained.

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。   On the other hand, when comparing the upstream side (first exhaust passage 32) and the downstream side (second exhaust passage 33) of the turbine 44 in the exhaust passage 30, the back pressure is more downstream than the upstream side. Is low. Therefore, when the exhaust gas is recirculated from the downstream side of the turbine 44 as in the first embodiment, the exhaust gas in the second exhaust passage 33 discharged from the turbine housing 43 is directed to the catalyst device 34 side. And the exhaust gas may not be diverted into the EGR passage 80 in a large amount. This is particularly noticeable when the back pressure of the first exhaust passage 32 is low (when the required supercharging pressure of the exhaust turbocharger 40 is low), and the EGR gas outlet of the EGR passage 80 is second. It becomes more prominent as the distance from the exhaust gas outlet of the turbine housing 43 in the exhaust passage 33 increases.

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。   Therefore, in the first embodiment, the back pressure adjustment valve 81 shown in FIG. 1 is provided immediately after the EGR gas outlet of the EGR passage 80 in the second exhaust passage 33. The back pressure adjustment valve 81 is opened and closed by a back pressure adjustment valve actuator 82 shown in FIG. 1 in which a control command for the valve opening angle is given by the ECU 50, so that the operating state of the internal combustion engine 10 (here, high load operation or low The back pressure between the exhaust gas outlet of the turbine housing 43 and the back pressure adjustment valve 81 in the second exhaust passage 33 is adjusted according to the load operation).

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。   Furthermore, in the first embodiment, the EGR gas outlet of the EGR passage 80 is arranged as close as possible to the exhaust gas outlet of the turbine housing 43 in the second exhaust passage 33, and from a place where the back pressure is as high as possible. It is preferable to recirculate the exhaust gas.

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。   Here, in the first embodiment, as described above, the exhaust gas is recirculated during the high load operation, but the exhaust gas is not recirculated during the low load operation. Therefore, the EGR valve 83 shown in FIG. 1 is provided between the EGR gas supply port of the EGR passage 80 and the first intake passage 21, and the EGR valve 83 is driven to open and close by the ECU 50 according to the amount of exhaust gas that can be recirculated. Let

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。   By the way, in the internal combustion engine 10 of the first embodiment, it is difficult to completely reduce the NOx emission amount to zero regardless of the low load operation or the high load operation. For this reason, in the first embodiment, a three-way catalyst is prepared as the catalyst device 34 described above, and NOx discharged is reduced using the three-way catalyst. Here, since hydrogen is a strong reducing agent and rich in reactivity, the catalyst device 34 of the first embodiment can effectively reduce NOx even if the catalyst temperature is somewhat low. Therefore, harmful components in the exhaust gas can be effectively purified even during cold start.

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。   Below, operation | movement of the internal combustion engine 10 of the present Example 1 is demonstrated.

先ず、低負荷運転時の動作について詳述する。   First, the operation during low load operation will be described in detail.

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。   When the ECU 50 according to the first embodiment determines that the low load operation is performed based on the detection signal from the air flow meter 25, the ECU 50 controls the back pressure adjusting valve 81 and the EGR valve 83 to fully open the back pressure adjusting valve 81. At the same time, the EGR valve 83 is fully closed. Thereby, the inflow of exhaust gas from the second exhaust passage 33 to the first intake passage 21 via the EGR passage 80 is blocked.

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。 Thereafter, the ECU 50 adjusts the valve opening angle of the throttle valve 26 and also adjusts the injection amount of hydrogen gas from the hydrogen fuel injection device 60, and the excess air ratio λ calculated based on the detection signal of the O 2 sensor 36. Normal lean combustion is performed while observing.

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。   Here, since the internal combustion engine 10 of the first embodiment is provided with the exhaust turbocharger 40, in the case of operating conditions at a low load where the supercharging pressure can be obtained, the compressor is connected from the first intake passage 21 to the compressor. The air flowing into the housing 41 is supercharged and a large amount of air is supplied into the combustion chamber 11. For this reason, in such a case, the ECU 50 adjusts the valve opening angle of the throttle valve 26 and the hydrogen gas injection amount of the hydrogen fuel injection device 60 while observing the calculated excess air ratio λ, so that normal super lean combustion (λ > 2 combustion). At that time, it is preferable to perform super lean combustion with the excess air ratio λ as large as possible by utilizing the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40.

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。   Thus, during the low load operation of the internal combustion engine 10, lean combustion is performed as shown in FIG. 2, and furthermore, when the supercharging effect of the exhaust turbo supercharger 40 is obtained, ultra lean combustion is performed. The amount of NOx emission can be reduced while increasing the NO.

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。 Incidentally, in the first embodiment, the NOx discharged at that time is reduced by the catalyst device 34 as described above. Further, since hydrogen is used as a fuel, CO, CO 2 , HC and the like are not discharged as described above. Therefore, both high efficiency and low emission can be achieved at the time of low load operation of the internal combustion engine 10.

一方、高負荷運転時には次の様に動作させる。   On the other hand, during high load operation, the operation is as follows.

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。   When the ECU 50 according to the first embodiment determines that the operation is a high load from the detection signal of the air flow meter 25, the ECU 50 controls the back pressure adjustment valve 81 and the EGR valve 83, and moves the back pressure adjustment valve 81 in the valve closing direction. At the same time, the EGR valve 83 is adjusted in the valve opening direction to recirculate the exhaust gas (EGR gas) to the exhaust passage 30.

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。   Here, the valve closing angle of the back pressure adjusting valve 81 is based on the back pressure on the upstream side of the back pressure adjusting valve 81 in the second exhaust passage 33 based on the load of the internal combustion engine 10, the engine speed, and the like. The back pressure is adjusted so that exhaust gas can flow from the exhaust passage 33 to the EGR passage 80. For example, the valve closing angle may be obtained in advance by experiment or simulation, and may be obtained from a back pressure adjusting valve valve closing angle map having such a correspondence relationship. Further, a pressure sensor may be provided on the upstream side of the back pressure adjustment valve 81 in the second exhaust passage 33, and the valve closing angle of the back pressure adjustment valve 81 may be set based on the detected value.

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。   On the other hand, the opening angle of the EGR valve 83 is determined together with the intake air amount and the hydrogen gas injection amount into the combustion chamber 11 so that stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) is performed while observing the calculated excess air ratio λ. Adjusted. That is, the ECU 50 according to the first embodiment controls the back pressure adjusting valve 81 as described above, and also controls the EGR valve 83, the throttle valve 26, and the hydrogen fuel injection device 60, respectively, to perform stoichiometric combustion (λ = 1 combustion). Is executed.

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。   Here, the internal combustion engine 10 of the first embodiment is provided with the exhaust turbocharger 40. As described above, even if the exhaust gas (EGR gas) is recirculated to the intake passage 20, the supercharging effect is obtained. Since it is not impaired, even during EGR operation, a large amount of air can be supplied into the combustion chamber 11 to perform high load operation, and high output can be achieved. Further, the internal combustion engine 10 can supply a large amount of exhaust gas to the first intake passage 21 when the ECU 50 controls the back pressure adjusting valve 81 and the EGR valve 83, so that the amount of NOx emission is reduced. can do. Again, the NOx discharged at that time is reduced by the catalyst device 34.

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。   Thus, in the internal combustion engine 10, a high load operation by stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) can be realized while a large amount of exhaust gas is recirculated to the intake passage 20 as shown in FIG. High output and low emission can be achieved at the same time.

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。   As described above, according to the internal combustion engine 10 using hydrogen as a fuel of the first embodiment, low emission is achieved while obtaining a desired output by performing lean combustion or ultra lean combustion during low load operation. be able to. Further, when high load operation is demanded, even if a large amount of exhaust gas is recirculated to the intake path 20, the supercharge effect of the exhaust turbocharger 40 can be obtained and high load operation can be performed. Low emission can be achieved while obtaining a desired high output. As described above, the internal combustion engine 10 according to the first embodiment can generate a required output between a low load and a high load and reduce the emission while using hydrogen as a fuel.

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。   In the first embodiment, stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) is performed and high load operation is performed. For example, combustion is performed in the vicinity of stoichiometric combustion (λ≈1 combustion) and high load operation is performed. The same effect can be achieved by this.

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。   In the first embodiment, the fuel (hydrogen) is injected into the intake port 23. However, the fuel may be directly injected into the combustion chamber 11, and the same effect can be obtained. it can.

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。   Next, a second embodiment of the internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to FIGS. Reference numeral 100 in FIG. 3 indicates the internal combustion engine of the second embodiment.

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。   Here, as described in the first embodiment, the upstream side of the turbine 44 in the exhaust path 30 (the first exhaust passage 32) and the downstream side (the second exhaust passage 33) are on the upstream side. On the other hand, the downstream back pressure is low. For this reason, for example, when the back pressure of the first exhaust passage 32 is low (when the required supercharging pressure of the exhaust turbocharger 40 is low), the back pressure of the second exhaust passage 33 is further reduced. The exhaust gas hardly flows from the second exhaust passage 33 into the EGR passage 80, and the exhaust gas cannot be recirculated.

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。   Therefore, in the internal combustion engine 10 of the first embodiment described above, the back pressure adjustment valve 81 is controlled to be closed in order to recirculate the exhaust gas to the intake passage 20. However, even if the back pressure adjusting valve 81 is slightly adjusted in the valve closing direction, there is a possibility that the back pressure of the second exhaust passage 33 is increased and the performance of the internal combustion engine 10 is reduced (output reduction). is there. In particular, when the back pressure of the first exhaust passage 32 is low (when the required supercharging pressure of the exhaust turbocharger 40 is low), although the exhaust of the exhaust gas is worse than when the back pressure is high, If the back pressure adjusting valve 81 is operated in the valve closing direction, exhaust gas exhaustion is further deteriorated, and the performance of the internal combustion engine 10 may be deteriorated.

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。   Therefore, in the internal combustion engine 100 of the second embodiment, another EGR passage is further added to the internal combustion engine 10 of the first embodiment, and the two EGR passages are properly used to avoid a decrease in performance of the internal combustion engine 10. To do.

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。   In the second embodiment, an EGR passage 84 is provided between the upstream side of the turbine 44 of the exhaust turbocharger 40 in the exhaust path 30 and the downstream side of the compressor 42 of the exhaust turbocharger 40 in the intake path 20. Provide. Specifically, the EGR passage 84 communicates one end (EGR gas outlet) with the first exhaust passage 32 of the exhaust passage 30 while the throttle valve 26 and the hydrogen fuel in the second intake passage 22 of the intake passage 20. The other end (EGR gas supply port) is communicated with the injection device 60.

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。   Here, even in the second embodiment, an EGR valve 85 shown in FIG. 3 is provided between the EGR gas supply port of the EGR passage 84 and the second intake passage 22, and this EGR valve 85 is connected to the internal combustion engine. The ECU 50 is driven to open and close according to the operating state of the engine 10.

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。   Hereinafter, in the second embodiment, the EGR passage 84 is referred to as a “first EGR passage 84”, and the upstream side of the compressor 42 of the exhaust turbocharger 40 in the intake passage 20 and the exhaust turbocharger in the exhaust passage 30. The EGR passage 80 provided between the machine 40 and the downstream side of the turbine 44 is referred to as a “second EGR passage 80”. Further, the EGR valve 85 that adjusts the recirculation of exhaust gas from the first EGR passage 84 is referred to as a “first EGR valve 85”, and the EGR valve 83 that adjusts the recirculation of exhaust gas from the second EGR passage 80. Is referred to as "second EGR valve 83".

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。   Here, the ECU 50 and the first and second EGR valves 85 and 83 constitute EGR passage switching means for switching between the first EGR passage 84 and the second EGR passage 80 in accordance with the supercharging state of the exhaust turbo supercharger 40. Has been.

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。   The operation of the internal combustion engine 100 according to the second embodiment will be described below.

最初に、低負荷運転時の動作について詳述する。   First, the operation during low load operation will be described in detail.

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。   When the ECU 50 according to the second embodiment determines that the low load operation is performed based on the detection signal of the air flow meter 25, the ECU 50 controls the back pressure adjusting valve 81 and the first and second EGR valves 85 and 83, The pressure adjusting valve 81 is fully opened and the first and second EGR valves 85 and 83 are fully closed. Thereby, the recirculation of the exhaust gas from the exhaust passage 30 to the intake passage 20 via the first and second EGR passages 84 and 80 is prevented.

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。   Thereafter, as in the case of the first embodiment, the ECU 50 adjusts the valve opening angle of the throttle valve 26 while observing the calculated excess air ratio λ and the injection amount of hydrogen gas from the hydrogen fuel injection device 60. Is adjusted to perform normal lean combustion. At this time, the internal combustion engine 100 opens the throttle valve 26 while observing the excess air ratio λ calculated by the ECU 50 under the low-load operating condition in which the supercharging pressure of the exhaust turbocharger 40 can be obtained. The angle and the hydrogen gas injection amount of the hydrogen fuel injection device 60 are adjusted to perform normal super lean combustion (λ> 2 combustion). Even in such a case, it is preferable to perform ultra lean combustion with the excess air ratio λ as large as possible using the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40 as in the first embodiment.

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。   As described above, even in the internal combustion engine 100 of the second embodiment, the lean combustion is performed as shown in FIG. 4 during the low load operation, and furthermore, the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40 can be obtained. Since ultra lean combustion is performed, NOx emissions can be reduced while increasing thermal efficiency as in the first embodiment. Further, the NOx discharged at that time is also reduced by the catalyst device 34 as in the first embodiment. Therefore, both high efficiency and low emission can be achieved at the time of low load operation of the internal combustion engine 100.

次に、高負荷運転時の動作について詳述する。   Next, the operation during high load operation will be described in detail.

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。   First, the ECU 50 determines that the operation is a high load from the detection signal of the air flow meter 25 and does not require the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40 (that is, the required supercharging pressure is low). When the determination is made, the ECU 50 controls the back pressure adjustment valve 81 and the first and second EGR valves 85 and 83 to fully open the back pressure adjustment valve 81 and open the first EGR valve 85. The valve direction is adjusted and the second EGR valve 83 is fully closed.

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。   At that time, the ECU 50 determines the opening angle of the first EGR valve 85 and the intake air amount to the combustion chamber 11 so that the stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) is performed while observing the calculated excess air ratio λ. Adjust with the amount of hydrogen gas injection. Here, when the amount of intake air into the combustion chamber 11 increases due to the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40, the stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) is performed in consideration of this. Adjust.

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。   That is, in the internal combustion engine 100 of the second embodiment, when the exhaust turbocharger 40 is not operated much, stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) can be performed while the exhaust gas is recirculated (hereinafter referred to as “high load operation”). The back pressure adjusting valve 81 is fully opened, and the exhaust gas is recirculated to the intake passage 20 only from the first EGR passage 84 (hereinafter referred to as “first EGR”). .

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。   Thus, since the back pressure adjustment valve 81 is fully opened in this first state, the back pressure of the second exhaust passage 33 does not increase, and high output is achieved without causing the performance of the internal combustion engine 100 to deteriorate. be able to. Further, since a large amount of exhaust gas can be supplied to the second intake passage 22 by the first EGR, the amount of NOx emission can be reduced. Again, the NOx discharged at that time is reduced by the catalyst device 34.

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。   As a result, the internal combustion engine 100 allows a large amount of exhaust gas to enter the intake path 20 as shown in FIG. 4 within the range of the low required supercharging pressure that does not require the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40 so much. A high load operation by stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) can be realized while recirculating, and both high output and low emission can be achieved.

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。   Subsequently, in the case of a medium required supercharging pressure that requires a supercharging effect of the exhaust turbocharger 40 as compared with the first state described above, in other words, the exhaust turbocharger 40 A description will be given of a case where high-load operation cannot be performed by performing stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) while recirculating exhaust gas unless the supercharging effect is obtained (hereinafter referred to as “second state”).

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。   In such a case, the ECU 50 controls the back pressure adjusting valve 81 and the first and second EGR valves 85 and 83 to adjust the back pressure adjusting valve 81 in the valve closing direction, and the first and second The EGR valves 85 and 83 are adjusted in the valve opening direction.

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。   Here, the back pressure adjustment valve 81 is slightly closed to a valve closing angle at which the exhaust gas from the second EGR passage 80 can be recirculated, and the first EGR valve 85 is moved more than the first state. The valve is opened at the throttle valve opening angle and the second EGR valve 83 is opened. The opening angle of each of the first and second EGR valves 85 and 83 is determined by the ECU 50 to the combustion chamber 11 so that stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) is performed while observing the calculated excess air ratio λ. It is adjusted together with the intake air amount and the hydrogen gas injection amount. At this time, when the amount of intake air into the combustion chamber 11 increases due to the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40, the stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) is performed in consideration of this. Adjust.

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。   As described above, in this second state, the opening angle of the first EGR valve 85 is narrower than that in the first state, so that the back pressure in the first exhaust passage 32 increases and the exhaust turbocharger 40 is supercharged. Pressure can be applied, and a large amount of air can be supplied into the combustion chamber 11 to increase the output. In addition to the first EGR, the second EGR passage 80 also recirculates exhaust gas to the intake passage 20 (hereinafter referred to as “second EGR”), and supplies a large amount of exhaust gas to the intake passage 20. Therefore, the NOx emission can be reduced. Again, the NOx discharged at that time is reduced by the catalyst device 34.

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。   As a result, the internal combustion engine 100 sends a large amount of exhaust gas to the intake path 20 as shown in FIG. 4 within the range of the medium required supercharging pressure that requires the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40 to some extent. In addition, while being recirculated, high-load operation by stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) can be realized while obtaining the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40, and both high output and low emission can be achieved. it can.

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。   Subsequently, when the exhaust gas is recirculated from the first EGR passage 84 (when the first EGR is performed), in the case of a high required supercharging pressure at which the supercharging effect of the exhaust turbo supercharger 40 cannot be obtained (hereinafter, "Third state") will be described.

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。   In such a case, the ECU 50 controls the back pressure adjustment valve 81 and the first and second EGR valves 85 and 83 so as to adjust the back pressure adjustment valve 81 in the valve closing direction and the first EGR valve 85. The second EGR valve 83 is adjusted in the valve opening direction while being fully closed.

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。   Here, the valve closing angle of the back pressure adjusting valve 81 and the valve opening angle of the second EGR valve 83 are adjusted in the same manner as in the high load operation of the first embodiment described above. At that time, the opening angle of the second EGR valve 83 is adjusted together with the amount of intake air and the amount of hydrogen gas injected into the combustion chamber 11 so that stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) is performed. When the amount of intake air into the combustion chamber 11 increases due to the supercharging effect of 40, each is adjusted so that stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) is performed in consideration of this.

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。   Thereby, in the internal combustion engine 100, as in the high load operation of the first embodiment, the exhaust gas can be recirculated (second EGR) without impairing the supercharging effect of the exhaust turbo supercharger 40. Therefore, even during EGR operation, a large amount of air can be supplied into the combustion chamber 11 to perform high-load operation, and both reduction of NOx emission and high output can be achieved. Again, the NOx discharged at that time is reduced by the catalyst device 34.

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。   As described above, in the third state in which the internal combustion engine 100 cannot obtain the supercharging effect of the exhaust turbo supercharger 40 when the first EGR is performed, as shown in FIG. The high load operation by stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) can be realized while recirculating to the high pressure, and both high output and low emission can be achieved.

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。   For example, when the load of the internal combustion engine 100 is gradually increased (in other words, when the internal combustion engine 100 is changed from the first state to the third state), first, the exhaust gas is recirculated only from the first EGR passage 84 (the first state). 1EGR), and then when the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40 is required to some extent, the exhaust gas is recirculated from both the first EGR passage 84 and the second EGR passage 80 (first EGR and second EGR). ). Then, when the back pressure of the first exhaust passage 32 decreases (the supercharging pressure decreases) and it becomes difficult to obtain the supercharging effect of the exhaust turbocharger 40, the exhaust gas is recirculated only from the second EGR passage 80. (Second EGR) is performed.

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。   As described above, during the high load operation of the internal combustion engine 100, the first EGR passage 84 and the second EGR passage 80 are selected in accordance with the operation state (that is, the supercharging state required for the exhaust turbocharger 40). By using both of these, high output and low emission are compatible in all areas of high-load operation.

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。   As described above, according to the internal combustion engine 100 that uses hydrogen as a fuel in the second embodiment, lean emission or ultra lean combustion is performed during low load operation, thereby achieving low emission while obtaining a desired output. be able to. When high load operation is required, a large amount of exhaust gas is recirculated to the intake passage 20 while obtaining a supercharging effect corresponding to the supercharging state required for the exhaust turbocharger 40. Therefore, low emission can be achieved while obtaining a desired high output. As described above, the internal combustion engine 100 according to the second embodiment can efficiently generate the required output from a low load to a high load and reduce the emission while using hydrogen as a fuel.

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。   Even in the second embodiment, stoichiometric combustion (λ = 1 combustion) is performed and high load operation is performed. For example, combustion is performed in the vicinity of stoichiometric combustion (λ≈1 combustion) and high load operation is performed. The same effect can be achieved by this.

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。   Further, even in the second embodiment, fuel (hydrogen) is injected into the intake port 23. However, the fuel may be directly injected into the combustion chamber 11, and the same effect can be obtained. it can.

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。   As described above, the internal combustion engine according to the present invention is useful for a fuel using hydrogen, and in particular, the supercharging effect by the exhaust turbocharger is sufficiently obtained while recirculating a large amount of exhaust gas to the intake passage. It is suitable for the technology to be demonstrated.

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。1 is a diagram illustrating a configuration of a first embodiment of an internal combustion engine according to the present invention. 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。It is a figure which shows the driving | running state according to the load in the internal combustion engine of Example 1. FIG. 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。It is a figure which shows the structure of Example 2 of the internal combustion engine which concerns on this invention. 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。It is a figure which shows the driving | running state according to the load in the internal combustion engine of Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 Internal combustion engine 11 Combustion chamber 20 Intake path 21 1st intake path 22 2nd intake path 23 Intake port 25 Air flow meter 26 Throttle valve 30 Exhaust path 31 Exhaust port 32 1st exhaust path 33 2nd exhaust path 34 Catalytic device 36 O 2 sensor 40 Exhaust turbocharger 41 Compressor housing 42 Compressor 43 Turbine housing 44 Turbine 60 Hydrogen fuel injection device 80 EGR passage (second EGR passage)
81 Back pressure adjustment valve 82 Back pressure adjustment valve actuator 83 EGR valve (2nd EGR valve)
84 1st EGR passage 85 1st EGR valve

Claims (3)

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。
An internal combustion engine comprising a hydrogen fuel injection device that injects hydrogen into an intake passage or a combustion chamber, and an exhaust turbocharger,
An internal combustion engine comprising an EGR passage for recirculating exhaust gas from a downstream side of a turbine of the exhaust turbocharger in the exhaust path to an upstream side of a compressor of the exhaust turbocharger in the intake path. .
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。   A new EGR passage for recirculating exhaust gas from the upstream side of the turbine of the exhaust turbocharger in the exhaust path to the downstream side of the compressor of the exhaust turbocharger in the intake path is provided, and the exhaust turbo 2. An internal combustion engine according to claim 1, further comprising an EGR passage switching means for switching the respective EGR passages in accordance with a supercharging state of the supercharger. 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。   The EGR passage switching means switches to the EGR passage on the upstream side of the turbine when the required supercharging pressure of the exhaust turbocharger is low, and when the required supercharging pressure of the exhaust turbocharger is high The internal combustion engine according to claim 2, wherein the internal combustion engine is configured to switch to an EGR passage downstream of the turbine.
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