JP2004239140A - 火花点火式内燃機関および燃焼制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】火花点火式内燃機関において、より広い内燃機関の運転範囲にてノッキングを抑制・解消すること。
【解決手段】制御ユニットは、内燃機関１０の運転状態に基づいて、水素噴射量、ガソリン噴射量を決定し、通常のタイミングにて燃料噴射弁を駆動してガソリンを噴射する。制御ユニットは、圧縮行程中に水素噴射弁ＨＩＪを駆動して水素Ｈ２をシリンダ１１内に直接供給し、供給された水素Ｈ２は、シリンダ１１の内壁面に沿って水素噴射弁ＨＩＪの対角位置まで流動する。続いて水素Ｈ２の一部が互いに衝突・合流して点火プラグ３１の近傍に流動し、結果として点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成される。
【選択図】 図４
【解決手段】制御ユニットは、内燃機関１０の運転状態に基づいて、水素噴射量、ガソリン噴射量を決定し、通常のタイミングにて燃料噴射弁を駆動してガソリンを噴射する。制御ユニットは、圧縮行程中に水素噴射弁ＨＩＪを駆動して水素Ｈ２をシリンダ１１内に直接供給し、供給された水素Ｈ２は、シリンダ１１の内壁面に沿って水素噴射弁ＨＩＪの対角位置まで流動する。続いて水素Ｈ２の一部が互いに衝突・合流して点火プラグ３１の近傍に流動し、結果として点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成される。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式の内燃機関においてノッキングの発生を抑制する内燃機関および燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とするガソリン内燃機関を始めとする火花点火式内燃機関では、ノッキングの発生は、全負荷時における最大出力を低下させる最も大きな要因であり、従来より数多くのノッキング防止技術が提案されている。
【０００３】
ノッキングは、一般的に、ガソリン燃料（混合気）が、ピストンヘッドと気筒（シリンダ）内壁と伝播火炎とによって囲まれて温度並びに作用する圧力が上昇することによって自着火温度に到達し、火花点火により生成された火炎の伝播による着火よりも先に、自着火により着火してしまうことにより発生する。
【０００４】
したがって、圧縮比を下げること、自着火温度（オクタン価）の高いガソリン燃料（いわゆる、ハイオクガソリン）を使用することによりノッキングを抑制・回避することが考えられる。また、ノッキングは、シリンダ内（燃焼室）の圧力が上昇する燃焼の後半において発生するため、燃焼速度を上げることによりノッキングを抑制・回避することも考えられる。ここで、水素は燃焼速度が高い物性を有することが知られており、従来、例えば、混合気のリーンリミットを向上させるための添加剤として用いられている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−６３１２８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮比を下げれば最大出力が低下してしまうという問題があり、ハイオクガソリンはレギュラーガソリンよりも高くランニングコストがかさむという問題がある。また、単に水素を導入して燃焼速度を向上させた場合には、シリンダ内における燃焼が急激に起こるため、シリンダ内の温度が上昇し、却ってノッキングが発生しやすくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、火花点火式内燃機関において、より広い内燃機関の運転範囲にてノッキングを抑制・解消することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、火花点火により燃料が点火される内燃機関を提供する。本発明の第１の態様に係る内燃機関は、火花点火を実行する火花点火装置と、主燃料を供給する主燃料供給装置と、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤を、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置によって生成される火炎の伝播方向の端部領域における濃度が他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するノッキング抑制剤供給装置とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る内燃機関によれば、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤を、火花点火装置近傍および前記火花点火装置によって生成される火炎の伝播方向の端部領域における濃度が他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するので、より広い内燃機関の運転範囲にてノッキングを抑制・解消することができる。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る内燃機関はさらに、シリンダを有するシリンダブロックを備え、前記火炎の伝播方向の端部領域は、前記火花点火装置近傍および前記シリンダの内壁面に沿った領域であり、前記ノッキング抑制剤供給装置は、前記火花点火装置近傍および前記シリンダの内壁面に向けて前記ノッキング抑制剤を供給しても良い。一般的に、ノッキングは火炎伝播の端部、例えば、シリンダの内壁面に沿った領域において発生しやすいので、これら領域に向けてノッキング抑制剤を供給することによって内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。また、火花点火装置近傍に向けて供給されたノッキング抑制剤は、主燃料の着火性を向上させ、迅速な火炎伝播を実現することができる。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る内燃機関はさらに、シリンダを有するシリンダブロックを備え、前記火花点火装置は、前記シリンダの径方向の略中央に配置され、前記火炎の伝播方向の端部領域は、前記火花点火装置近傍および前記シリンダの内壁面に沿った領域であり、前記ノッキング抑制剤供給装置は、前記シリンダの内壁面に沿う第１の方向と第１の方向とは異なる第２の方向に向けて前記ノッキング抑制剤を供給しても良い。かかる場合には、シリンダの内壁面に沿う第１の方向と第２の方向とに向けてノッキング抑制剤が供給されるので、ノッキングの発生しやすいシリンダの内壁面に沿った領域にノッキング抑制剤を供給することができる。また、シリンダの内壁面に沿う第１の方向と第２の方向とに向けて供給されたノッキング抑制剤は、ノッキング抑制剤供給装置に対する対角位置において衝突し、火花点火装置近傍に到達する。したがって、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る内燃機関はさらに、シリンダを有するシリンダブロックと、前記シリンダ内を往復動すると共に前記火花点火装置と対向する頂面を有し、その頂面に供給された流体を前記火花点火装置へと導くための誘導部を有するピストンとを備え、前記ノッキング抑制剤供給装置は、前記ピストン内部に前記ノッキング抑制剤を直接供給できると共に、圧縮行程において、前記ピストンの誘導部および前記シリンダの内壁面に対して前記ノッキング抑制剤を供給しても良い。かかる場合には、ピストンの頂面に供給されたノッキング抑制剤は、よってピストン頂面の誘導部によって確実に火花点火装置近傍に誘導され、主燃料の着火性を向上させると共に迅速な火炎伝播を実現することができる。したがって、シリンダの内壁面に供給されたノッキング抑制剤と相まって、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る内燃機関はさらに、シリンダを有するシリンダブロックと、前記シリンダ内を往復動すると共に前記火花点火装置と対向する頂面を有し、前記シリンダの内壁面に供給された流体の一部を前記火花点火装置へと導くための誘導部を前記頂面に有するピストンとを備え、前記ノッキング抑制剤供給装置は、圧縮行程において、前記シリンダの内壁面に沿って第１の方向と第１の方向とは異なる第２の方向に対して前記ノッキング抑制剤を供給しても良い。かかる場合には、ピストンの頂面に供給されたノッキング抑制剤は、よってピストン頂面の誘導部によって確実に火花点火装置近傍に誘導され、主燃料の着火性を向上させると共に迅速な火炎伝播を実現することができる。また、シリンダの内壁面に沿って第１の方向と第２の方向に向けてにノッキング抑制剤が供給される。したがって、火炎伝播の迅速性並びにシリンダの内壁面におけるノッキング抑制剤の存在により、シリンダの内壁面の周辺領域における主燃料の自着火を防止・抑制し、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１４】
本発明の第１の態様は、火花点火装置により燃料が点火される内燃機関における燃焼制御方法としても実現され得る。本発明の第１の態様に係る燃焼制御方法は、主燃料を供給し、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤を、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置によって生成される火炎の伝播方向の端部領域における濃度が他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給し、前記供給した主燃料およびノッキング抑制剤に対する火花点火を実行することを特徴とする。
【００１５】
本発明の第２の態様は、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤と主燃料とが燃料として供給され、火花点火により燃料が点火される内燃機関を提供する。本発明の第２の態様に係る内燃機関は、シリンダを有するシリンダブロックと、火花点火を実行する火花点火装置と、前記主燃料を供給する主燃料供給装置と、前記火花点火装置による点火時における、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置から前記シリンダの径方向に最も離間した領域における前記ノッキング抑制剤の濃度が、他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するノッキング抑制剤供給装置とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る内燃機関によれば、火花点火装置による点火時における、火花点火装置近傍および火花点火装置からシリンダの径方向に最も離間した領域におけるノッキング抑制剤の濃度が、他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するので、より広い内燃機関の運転範囲にてノッキングを抑制・解消することができる。すなわち、一般的に、自着火が発生し易い火炎伝播の端部、例えば、シリンダの内壁面に沿った領域に向けてノッキング抑制剤を供給するので、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。また、火花点火装置近傍にノッキング抑制剤を供給することによって、主燃料の着火性を向上させ、迅速な火炎伝播を実現することができる。
【００１７】
本発明の第２の態様は、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤と主燃料とが燃料として供給され、火花点火装置により燃料が点火される内燃機関における燃焼制御方法としても実現され得る。本発明の第２の態様に係る燃焼制御方法は、前記主燃料を供給し、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置から前記シリンダの径方向に最も離間した領域における前記ノッキング抑制剤の濃度を他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給し、前記供給した主燃料およびノッキング抑制剤に対する火花点火を実行することを特徴とする。
【００１８】
本発明の第１または第２の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油ガス燃料であり、前記ノッキング抑制剤は水素であっても良い。ガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油ガス燃料は一般的に広く用いられている内燃機関用の主燃料であり、これら燃料に対して高い自着火温度および高い燃焼速度を有する水素をノッキング抑制剤として用いることにより、多くの内燃機関においてノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る火花点火式の内燃機関について説明する。
【００２０】
・第１の実施例：
図１〜図４を参照して第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成について説明する。図１は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。図２は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素Ｈ２を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。図３は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。図４は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【００２１】
第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関１０は、内部に複数のシリンダ１１を有するシリンダブロック１２、シリンダ１１内を往復動するピストン１３、シリンダブロック１２の底部に配置されたクランクケース１４、シリンダブロック１２（シリンダ１１）の上部に配置されたシリンダヘッド１５を備えている。第１の実施例におけるピストン１３は、その頂面に窪み（キャビティ）を有しない、いわゆる、フラットヘッドピストンである。
【００２２】
内燃機関１０の燃焼制御（運転制御）は、制御ユニット４０によって実行されている。制御ユニット４０は、演算処理機能（ＣＰＵ）、マップ、プログラム等を格納する記憶機能（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を備えている。制御ユニット４０には、機関回転数、ノッキングの発生の有無といった各種運転条件が入力される。また、制御ユニット４０には、以下に説明する燃料噴射弁ＩＪ、水素噴射弁ＨＪ、点火プラグ３１が接続されており、ガソリンおよび水素供給量、ガソリンおよび水素の噴射時期、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。
【００２３】
シリンダヘッド１５は、各シリンダ１１毎に吸気ポート１６および排気ポート１７を有している。各吸気ポート１６には、吸気側カムＩＣによって駆動されて吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１６１が配置されており、各排気ポート１７には、排気側カムＥＣによって駆動されて排気ポート１７を開閉する排気バルブ１７１が配置されている。
【００２４】
各吸気ポート１６には、吸気管１８の分岐端が連結され、各排気ポート１７には、排気管（排気マニホールド）１９の分岐端が連結されている。各吸気ポート１６には主燃料であるガソリン燃料を噴射するための燃料噴射弁ＰＩＪが配置されている。すなわち、第１の実施例に用いられる内燃機関１０はポート噴射タイプの内燃機関である。各燃料噴射弁ＩＪには、燃料デリバリパイプＦＤを介して燃料が供給される。
【００２５】
シリンダヘッド１５には、吸気ポート１６の近傍に水素ガスをシリンダ１１内に直接噴射するための水素噴射弁ＨＩＪ、各シリンダ１１の略中心位置に火花点火のための点火プラグ３１が配置されている。すなわち、第１の実施例では、主燃料であるガソリンに加えて、内燃機関１０の運転状態に応じてノッキング抑制剤として水素Ｈ２が供給される。ノッキング抑制剤としては、少なくとも高い自着火温度並びに高い燃焼速度を有していることが必要であり、この他にアセチレン等が用いられ得る。
【００２６】
水素噴射弁ＨＩＪには、高圧水素タンクＨＴに貯蔵されている水素が減圧弁等によって所定の圧力（噴射圧力：例えば４〜５Ｍｐａ）まで減圧された後に、水素デリバリパイプＨＦＤを介して供給される。
【００２７】
図２に示すように、第１の実施例における水素噴射弁ＨＩＪには、所定の開き角θを有する２つの噴射孔が備えられており、水素Ｈ２はシリンダ１１の内壁面に沿うようにして第１の方向Ｄ１、第１の方向とは異なる第２の方向Ｄ２にそれぞれ噴射される。所定の開き角θは、噴射された水素Ｈ２をシリンダ１１の内壁面に沿う領域に存在させる角度とされている。
【００２８】
水素噴射弁ＨＩＪから水素Ｈ２が噴射されるタイミング、すなわち水素噴射時期は、点火プラグ３１による点火時期に、図４に示すような水素濃度分布がシリンダ１１（燃焼室）内に形成されるタイミングであり、例えば、４０°ＢＴＤＣまでに噴射が完了するタイミングにて噴射される。水素噴射弁ＨＩＪから二方向に噴射された水素Ｈ２は、先ず、それぞれ図３に示すようにシリンダ１１の内壁面に沿って水素噴射弁ＨＩＪの対角位置まで流動する。続いて、図４に示すように水素Ｈ２の一部が互いに衝突・合流して点火プラグ３１の近傍に流動し、結果として点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成される。なお、図２〜図４において水素Ｈ２が分布していない領域には、水素噴射に先立って燃料噴射弁ＩＪから噴射されたガソリン混合気が存在している。
【００２９】
ここで、第１の内燃機関１０における噴射制御について簡単に説明すると、制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態に基づいて内燃機関１０が生成すべき全熱量を算出する。制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転負荷に応じて添加すべき水素の熱量割合ＲＨ２を決定する。水素の熱量割合ＲＨ２は、少ない場合にはノッキングの発生を抑制・防止することができず、多い場合にはシリンダ１１内温度の上昇を招き却ってノッキングの発生を助長するので、例えば、全熱量に対して約１０％〜約３０％の範囲であることが好ましく、更に１５〜２５％の範囲であることがより好ましい。
【００３０】
制御ユニット４０は、決定した水素の熱量割合ＲＨ２に応じて、水素噴射量、ガソリン噴射量を決定し、通常のタイミングにて燃料噴射弁ＩＪを駆動してガソリンを噴射し、圧縮行程中に水素噴射弁ＨＩＪを駆動して水素Ｈ２をシリンダ１１内に直接供給する。制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態に基づいた点火時期に点火プラグ３１を介して水素、ガソリンを含む混合気に火花点火する。点火時には、シリンダ１１（燃焼室）では図４に示す水素濃度分布が形成されていることは言うまでもない。また、点火時期は、水素Ｈ２を添加することによって遅角させることが可能となり、例えば、最も出力が得られる時期（ＭＢＴ）に点火することが好ましい。かかる場合には、従来と比較して高い出力が得られると共にノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００３１】
以上説明したように第１の実施例に係る火花点火式内燃機関１０によれば、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域を形成することができるので、内燃機関１０におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００３２】
これは、自着火温度が高く耐ノッキング性に優れているという特性を有する水素の物性に依存するところが大きい。一般的にノッキングは、シリンダ１１の内壁面に沿う領域において発生しやすいが、自着火温度の高い水素Ｈ２をシリンダ１１の内壁面に沿う領域に偏在させることにより、シリンダ１１の内壁面におけるガソリン混合気の自着火を抑制することができる。ここで、シリンダ１１の内壁面におけるガソリン混合気の自着火の抑制は、水素Ｈ２が有する高い耐ノッキング性能の他に、水素Ｈ２をガソリン、天然ガス、液化石油ガス等のＨＣ系燃料に添加することによって、自着火の発生の原因と言われているフリーラジカル（−ＯＨ等の不対電子を有する原子・分子）にＨ＋が反応し、ラジカルそのものの数を減少させていることにも起因すると考えられる。
【００３３】
また、水素Ｈ２は、燃焼速度が高く、着火性に優れるという特性を有している。したがって、点火プラグ３１の近傍に供給することでガソリン混合気の着火性を向上させることができる。さらに、燃焼速度が高いので、着火後の火炎伝播時間は短くなり、シリンダ１１の内壁面に沿って存在するガソリン混合気が自着火する前に、点火プラグ３１によって点火生成された火炎の伝播によってシリンダ１１の内壁面に沿って存在するガソリン混合気を燃焼させることができる。
【００３４】
・第２の実施例：
図５〜図７を参照して第２の実施例に係る内燃機関１０ａについて説明する。図５は第２の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素Ｈ２を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。図６は図５に示す内燃機関のシリンダブロックを６−６線によって切断した断面の一部を模式的に示す説明図である。図７は第２の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【００３５】
第２の実施例に係る内燃機関１０ａは、ピストン１３ａの頂面に窪み１３１を有する点、水素噴射弁ＨＩＪ’の噴射孔が３つ備えられている点を除いて第１の実施例に係る内燃機関１０と同一の構成を備えるので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
第２の実施例に従うピストン１３ａは、図５および図６に示すように、その頂面に窪み１３１（キャビティ）を有している。また、第２の実施例に従う水素噴射弁ＨＩＪ’は、図５に示すように、キャビティ１３１に向けた中央の噴孔５０、シリンダ１１の内壁面に向けた２つの側方の噴孔５１、５２から三方向に対して水素Ｈ２を噴射する。
【００３７】
キャビティ１３１は、点火プラグ３１より排気側寄りに形成されている壁面１３２を有し、水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０から噴射された水素Ｈ２を全て受け止められる程度の幅を有している。なお、幅とは水素Ｈ２の噴射方向に直交する方向の寸法である。キャビティ１３１は、壁面１３２によって、水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０から噴射された水素Ｈ２を点火プラグ３１の近傍に導く。
【００３８】
水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０から噴射される水素Ｈ２は、キャビティ１３１に向けて下向き（ピストン１３ａ方向）の角度を伴って噴射される。側方の噴孔５１、５２から噴射される水素Ｈ２は、キャビティ１３１に入らないよう水素噴射弁ＨＩＪ’の左右方向に位置するシリンダ１１の内壁面に向けて噴射されると共に、下向きの噴射角度は中央の噴孔５０から噴射される水素Ｈ２と比較して小さい。
【００３９】
水素噴射弁ＨＩＪ’から水素Ｈ２が噴射されるタイミング、すなわち水素噴射時期は、点火プラグ３１による点火時期、例えば、ピストン３１が圧縮上死点近傍にあるとき、に図７に示すような水素濃度分布がシリンダ１１（燃焼室）内に形成されるタイミングであり、例えば、４０°ＢＴＤＣまでに噴射が完了するタイミングにて噴射される。水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０から噴射された水素Ｈ２は、図７に示すように、キャビティ１３１の壁面１３２によって点火プラグ３１の近傍に導かれる。一方、水素噴射弁ＨＩＪ’の側方の噴孔５１、５２から噴射されたＨ２は、図７に示すようにシリンダ１１の内壁面に沿って水素噴射弁ＨＩＪ’の対角位置まで流動する。この結果、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成される。なお、図５および図７において水素Ｈ２が分布していない領域には、水素噴射に先立って燃料噴射弁ＩＪから噴射されたガソリン混合気が存在している。
【００４０】
以上説明した第２の実施例によれば、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成されるので、点火プラグ３１によるガソリン混合気の着火性を向上させることができると共に、シリンダ１１の内壁面におけるガソリン混合気の自着火を抑制・防止することができる。特に、第２の実施例では、点火プラグ３１の近傍に対しては、水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０からキャビティ１３１を介して水素Ｈ２が噴射・供給されるので、水素Ｈ２の噴射圧力をシリンダ内圧力に抗する圧力まで低減することができると共に、着火性を大幅に向上させて全体の燃焼期間を短縮させることができる。また、点火プラグ３１へ水素Ｈ２を供給するための噴孔５０とシリンダ１１の内壁面に沿う領域に水素Ｈ２を供給する噴孔５１、５２をそれぞれ備えることにより、点火プラグ３１近傍とシリンダ１１の内壁面に沿う領域に確実に水素濃度の濃い領域を形成することができるため、ノッキングの発生をより確実に抑制・防止することができる。
【００４１】
・第３の実施例：
図８〜図１０を参照して第３の実施例に係る内燃機関について説明する。図８は第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素Ｈ２を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。図９は第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。図１０は第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【００４２】
第３の実施例に係る内燃機関は、ピストン１３ｂの頂面に窪み１３３を有する点を除いて第１の実施例に係る内燃機関１０と同一の構成を備えるので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
第３の実施例に従うピストン１３ｂは、図８〜図１０に示すように、その頂面に窪み１３３（キャビティ）を有している。第３の実施例における水素噴射弁ＨＩＪは、第１の実施例における水素噴射弁ＨＩＪと同様に所定の開き角θを有する２つの噴射孔を有しており、水素Ｈ２はシリンダ１１の内壁面に沿うようにして第１の方向Ｄ１、第１の方向とは異なる第２の方向Ｄ２にそれぞれ噴射される。所定の開き角θは、噴射された水素Ｈ２をシリンダ１１の内壁面に沿う領域に存在させる角度とされている。
【００４４】
キャビティ１３１は、水素Ｈ２の噴射方向に直交する方向に長い略楕円形状を有しており、また、水素噴射弁ＨＩＪから噴射された水素Ｈ２の一部を捕捉して点火プラグ３１の近傍に導く壁面１３４を有している。すなわち、キャビティ１３３の壁面１３４は、その両端部が、水素噴射弁ＨＩＪから噴射され、シリンダ１１の内壁面沿って流動する水素Ｈ２の流路と交差するように形成されている。
【００４５】
水素噴射弁ＨＩＪから水素Ｈ２が噴射されるタイミング、すなわち水素噴射時期は、点火プラグ３１による点火時期、例えば、ピストン３１が圧縮上死点近傍にあるとき、に図１０に示すような水素濃度分布がシリンダ１１（燃焼室）内に形成されるタイミングであり、例えば、４０°ＢＴＤＣまでに噴射が完了するタイミングにて噴射される。水素噴射弁ＨＩＪから噴射された水素Ｈ２は、図９に示すように、その一部がキャビティ１３３の壁面１３４によって捕捉され、捕捉された水素Ｈ２は点火プラグ３１の近傍に導かれる。一方、キャビティ１３３によって捕捉されなかった水素Ｈ２は図９に示すようにシリンダ１１の内壁面に沿って水素噴射弁ＨＩＪの対角位置に向かって流動する。点火プラグ３１による点火時期には、図１０に示すように、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成される。なお、図８および図１０において水素Ｈ２が分布していない領域には、水素噴射に先立って燃料噴射弁ＩＪから噴射されたガソリン混合気が存在している。
【００４６】
以上説明した第３の実施例によれば、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成されるので、点火プラグ３１によるガソリン混合気の着火性を向上させることができると共に、シリンダ１１の内壁面におけるガソリン混合気の自着火を抑制・防止することができる。特に、第３の実施例では、キャビティ１３３によって水素噴射弁ＨＩＪから噴射された水素Ｈ２の一部が点火プラグ３１の近傍に対して供給されるので、点火プラグ３１近傍とシリンダ１１の内壁面に沿う領域に確実に水素濃度の濃い領域を形成することができるため、ノッキングの発生をより確実に抑制・防止することができる。
【００４７】
・その他の実施例：
上記実施例では、高圧水素タンクＨＴに高圧貯蔵された水素ガスを用いたが、液体水素を用いても良い。また、上記実施例では、純水素を用いたが、内燃機関１０に改質器を搭載し、改質器によって生成された水素リッチガスを用いても良い。
【００４８】
上記実施例では、ノッキング抑制剤として高い自着火温度および高い燃焼速度を有する水素、アセチレンを例として挙げたが、高い自着火温度を有する物質（気体、液体、固体）を、内燃機関１０に要求される全熱量に対して約１０％〜３０の熱量割合にて、圧縮行程後半（例えば、約４０°ＢＴＤＣ）にシリンダ１１の内壁面に噴射しても良い。既述のように、ノッキングはシリンダ１１の内壁面に沿う領域において主に発生するので、この領域に適量の高自着火温度を有する物質を存在させることにより、主燃料のノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００４９】
上記実施例では、主燃料としてガソリン燃料を用いているが天然ガス燃料、液化石油ガス燃料等を用いても良い。燃焼時における生成熱量がガソリンと同様であれば、水素熱量割合ＲＨ２は１０〜３０％が好ましく、１５〜２５％がより好ましい。また、燃焼時における生成熱量がガソリンと異なる燃料である場合には、燃焼時における生成熱量に応じて、水素熱量割合ＲＨ２は適宜決定される。
【００５０】
上記実施例では、ポート噴射タイプの燃料噴射弁ＩＪが用いられているが、シリンダ１１内に直接燃料が噴射される直噴タイプの燃料噴射弁が用いられても良い。
【００５１】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る火花点火式内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。
【図３】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図４】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図５】第２の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。
【図６】図５に示す内燃機関のシリンダブロックを６−６線によって切断した断面の一部を模式的に示す説明図である。
【図７】第２の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図８】第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。
【図９】第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図１０】第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ…内燃機関
１１…シリンダ
１２…シリンダブロック
１３、１３ａ、１３ｂ…ピストン
１３１、１３３…窪み（キャビティ）
１３２、１３４…壁面
１４…クランクケース
１５…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６１…吸気バルブ
１７…排気ポート
１７１…排気バルブ
１８…吸気管
１９…排気管
３１…点火プラグ
４０…制御ユニット
５０…中央の噴孔
５１、５２…側方の噴孔
ＩＣ…吸気側カム
ＥＣ…排気側カム
ＩＪ…燃料噴射弁（インジェクタ）
ＦＤ…燃料デリバリパイプ
ＨＩＪ、ＨＩＪ’…水素噴射弁
ＨＦＤ…水素デリバリパイプ
ＨＴ…高圧水素タンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式の内燃機関においてノッキングの発生を抑制する内燃機関および燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とするガソリン内燃機関を始めとする火花点火式内燃機関では、ノッキングの発生は、全負荷時における最大出力を低下させる最も大きな要因であり、従来より数多くのノッキング防止技術が提案されている。
【０００３】
ノッキングは、一般的に、ガソリン燃料（混合気）が、ピストンヘッドと気筒（シリンダ）内壁と伝播火炎とによって囲まれて温度並びに作用する圧力が上昇することによって自着火温度に到達し、火花点火により生成された火炎の伝播による着火よりも先に、自着火により着火してしまうことにより発生する。
【０００４】
したがって、圧縮比を下げること、自着火温度（オクタン価）の高いガソリン燃料（いわゆる、ハイオクガソリン）を使用することによりノッキングを抑制・回避することが考えられる。また、ノッキングは、シリンダ内（燃焼室）の圧力が上昇する燃焼の後半において発生するため、燃焼速度を上げることによりノッキングを抑制・回避することも考えられる。ここで、水素は燃焼速度が高い物性を有することが知られており、従来、例えば、混合気のリーンリミットを向上させるための添加剤として用いられている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−６３１２８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮比を下げれば最大出力が低下してしまうという問題があり、ハイオクガソリンはレギュラーガソリンよりも高くランニングコストがかさむという問題がある。また、単に水素を導入して燃焼速度を向上させた場合には、シリンダ内における燃焼が急激に起こるため、シリンダ内の温度が上昇し、却ってノッキングが発生しやすくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、火花点火式内燃機関において、より広い内燃機関の運転範囲にてノッキングを抑制・解消することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、火花点火により燃料が点火される内燃機関を提供する。本発明の第１の態様に係る内燃機関は、火花点火を実行する火花点火装置と、主燃料を供給する主燃料供給装置と、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤を、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置によって生成される火炎の伝播方向の端部領域における濃度が他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するノッキング抑制剤供給装置とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る内燃機関によれば、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤を、火花点火装置近傍および前記火花点火装置によって生成される火炎の伝播方向の端部領域における濃度が他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するので、より広い内燃機関の運転範囲にてノッキングを抑制・解消することができる。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る内燃機関はさらに、シリンダを有するシリンダブロックを備え、前記火炎の伝播方向の端部領域は、前記火花点火装置近傍および前記シリンダの内壁面に沿った領域であり、前記ノッキング抑制剤供給装置は、前記火花点火装置近傍および前記シリンダの内壁面に向けて前記ノッキング抑制剤を供給しても良い。一般的に、ノッキングは火炎伝播の端部、例えば、シリンダの内壁面に沿った領域において発生しやすいので、これら領域に向けてノッキング抑制剤を供給することによって内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。また、火花点火装置近傍に向けて供給されたノッキング抑制剤は、主燃料の着火性を向上させ、迅速な火炎伝播を実現することができる。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る内燃機関はさらに、シリンダを有するシリンダブロックを備え、前記火花点火装置は、前記シリンダの径方向の略中央に配置され、前記火炎の伝播方向の端部領域は、前記火花点火装置近傍および前記シリンダの内壁面に沿った領域であり、前記ノッキング抑制剤供給装置は、前記シリンダの内壁面に沿う第１の方向と第１の方向とは異なる第２の方向に向けて前記ノッキング抑制剤を供給しても良い。かかる場合には、シリンダの内壁面に沿う第１の方向と第２の方向とに向けてノッキング抑制剤が供給されるので、ノッキングの発生しやすいシリンダの内壁面に沿った領域にノッキング抑制剤を供給することができる。また、シリンダの内壁面に沿う第１の方向と第２の方向とに向けて供給されたノッキング抑制剤は、ノッキング抑制剤供給装置に対する対角位置において衝突し、火花点火装置近傍に到達する。したがって、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る内燃機関はさらに、シリンダを有するシリンダブロックと、前記シリンダ内を往復動すると共に前記火花点火装置と対向する頂面を有し、その頂面に供給された流体を前記火花点火装置へと導くための誘導部を有するピストンとを備え、前記ノッキング抑制剤供給装置は、前記ピストン内部に前記ノッキング抑制剤を直接供給できると共に、圧縮行程において、前記ピストンの誘導部および前記シリンダの内壁面に対して前記ノッキング抑制剤を供給しても良い。かかる場合には、ピストンの頂面に供給されたノッキング抑制剤は、よってピストン頂面の誘導部によって確実に火花点火装置近傍に誘導され、主燃料の着火性を向上させると共に迅速な火炎伝播を実現することができる。したがって、シリンダの内壁面に供給されたノッキング抑制剤と相まって、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る内燃機関はさらに、シリンダを有するシリンダブロックと、前記シリンダ内を往復動すると共に前記火花点火装置と対向する頂面を有し、前記シリンダの内壁面に供給された流体の一部を前記火花点火装置へと導くための誘導部を前記頂面に有するピストンとを備え、前記ノッキング抑制剤供給装置は、圧縮行程において、前記シリンダの内壁面に沿って第１の方向と第１の方向とは異なる第２の方向に対して前記ノッキング抑制剤を供給しても良い。かかる場合には、ピストンの頂面に供給されたノッキング抑制剤は、よってピストン頂面の誘導部によって確実に火花点火装置近傍に誘導され、主燃料の着火性を向上させると共に迅速な火炎伝播を実現することができる。また、シリンダの内壁面に沿って第１の方向と第２の方向に向けてにノッキング抑制剤が供給される。したがって、火炎伝播の迅速性並びにシリンダの内壁面におけるノッキング抑制剤の存在により、シリンダの内壁面の周辺領域における主燃料の自着火を防止・抑制し、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１４】
本発明の第１の態様は、火花点火装置により燃料が点火される内燃機関における燃焼制御方法としても実現され得る。本発明の第１の態様に係る燃焼制御方法は、主燃料を供給し、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤を、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置によって生成される火炎の伝播方向の端部領域における濃度が他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給し、前記供給した主燃料およびノッキング抑制剤に対する火花点火を実行することを特徴とする。
【００１５】
本発明の第２の態様は、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤と主燃料とが燃料として供給され、火花点火により燃料が点火される内燃機関を提供する。本発明の第２の態様に係る内燃機関は、シリンダを有するシリンダブロックと、火花点火を実行する火花点火装置と、前記主燃料を供給する主燃料供給装置と、前記火花点火装置による点火時における、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置から前記シリンダの径方向に最も離間した領域における前記ノッキング抑制剤の濃度が、他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するノッキング抑制剤供給装置とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る内燃機関によれば、火花点火装置による点火時における、火花点火装置近傍および火花点火装置からシリンダの径方向に最も離間した領域におけるノッキング抑制剤の濃度が、他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するので、より広い内燃機関の運転範囲にてノッキングを抑制・解消することができる。すなわち、一般的に、自着火が発生し易い火炎伝播の端部、例えば、シリンダの内壁面に沿った領域に向けてノッキング抑制剤を供給するので、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。また、火花点火装置近傍にノッキング抑制剤を供給することによって、主燃料の着火性を向上させ、迅速な火炎伝播を実現することができる。
【００１７】
本発明の第２の態様は、高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤と主燃料とが燃料として供給され、火花点火装置により燃料が点火される内燃機関における燃焼制御方法としても実現され得る。本発明の第２の態様に係る燃焼制御方法は、前記主燃料を供給し、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置から前記シリンダの径方向に最も離間した領域における前記ノッキング抑制剤の濃度を他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給し、前記供給した主燃料およびノッキング抑制剤に対する火花点火を実行することを特徴とする。
【００１８】
本発明の第１または第２の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油ガス燃料であり、前記ノッキング抑制剤は水素であっても良い。ガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油ガス燃料は一般的に広く用いられている内燃機関用の主燃料であり、これら燃料に対して高い自着火温度および高い燃焼速度を有する水素をノッキング抑制剤として用いることにより、多くの内燃機関においてノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る火花点火式の内燃機関について説明する。
【００２０】
・第１の実施例：
図１〜図４を参照して第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成について説明する。図１は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。図２は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素Ｈ２を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。図３は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。図４は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【００２１】
第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関１０は、内部に複数のシリンダ１１を有するシリンダブロック１２、シリンダ１１内を往復動するピストン１３、シリンダブロック１２の底部に配置されたクランクケース１４、シリンダブロック１２（シリンダ１１）の上部に配置されたシリンダヘッド１５を備えている。第１の実施例におけるピストン１３は、その頂面に窪み（キャビティ）を有しない、いわゆる、フラットヘッドピストンである。
【００２２】
内燃機関１０の燃焼制御（運転制御）は、制御ユニット４０によって実行されている。制御ユニット４０は、演算処理機能（ＣＰＵ）、マップ、プログラム等を格納する記憶機能（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を備えている。制御ユニット４０には、機関回転数、ノッキングの発生の有無といった各種運転条件が入力される。また、制御ユニット４０には、以下に説明する燃料噴射弁ＩＪ、水素噴射弁ＨＪ、点火プラグ３１が接続されており、ガソリンおよび水素供給量、ガソリンおよび水素の噴射時期、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。
【００２３】
シリンダヘッド１５は、各シリンダ１１毎に吸気ポート１６および排気ポート１７を有している。各吸気ポート１６には、吸気側カムＩＣによって駆動されて吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１６１が配置されており、各排気ポート１７には、排気側カムＥＣによって駆動されて排気ポート１７を開閉する排気バルブ１７１が配置されている。
【００２４】
各吸気ポート１６には、吸気管１８の分岐端が連結され、各排気ポート１７には、排気管（排気マニホールド）１９の分岐端が連結されている。各吸気ポート１６には主燃料であるガソリン燃料を噴射するための燃料噴射弁ＰＩＪが配置されている。すなわち、第１の実施例に用いられる内燃機関１０はポート噴射タイプの内燃機関である。各燃料噴射弁ＩＪには、燃料デリバリパイプＦＤを介して燃料が供給される。
【００２５】
シリンダヘッド１５には、吸気ポート１６の近傍に水素ガスをシリンダ１１内に直接噴射するための水素噴射弁ＨＩＪ、各シリンダ１１の略中心位置に火花点火のための点火プラグ３１が配置されている。すなわち、第１の実施例では、主燃料であるガソリンに加えて、内燃機関１０の運転状態に応じてノッキング抑制剤として水素Ｈ２が供給される。ノッキング抑制剤としては、少なくとも高い自着火温度並びに高い燃焼速度を有していることが必要であり、この他にアセチレン等が用いられ得る。
【００２６】
水素噴射弁ＨＩＪには、高圧水素タンクＨＴに貯蔵されている水素が減圧弁等によって所定の圧力（噴射圧力：例えば４〜５Ｍｐａ）まで減圧された後に、水素デリバリパイプＨＦＤを介して供給される。
【００２７】
図２に示すように、第１の実施例における水素噴射弁ＨＩＪには、所定の開き角θを有する２つの噴射孔が備えられており、水素Ｈ２はシリンダ１１の内壁面に沿うようにして第１の方向Ｄ１、第１の方向とは異なる第２の方向Ｄ２にそれぞれ噴射される。所定の開き角θは、噴射された水素Ｈ２をシリンダ１１の内壁面に沿う領域に存在させる角度とされている。
【００２８】
水素噴射弁ＨＩＪから水素Ｈ２が噴射されるタイミング、すなわち水素噴射時期は、点火プラグ３１による点火時期に、図４に示すような水素濃度分布がシリンダ１１（燃焼室）内に形成されるタイミングであり、例えば、４０°ＢＴＤＣまでに噴射が完了するタイミングにて噴射される。水素噴射弁ＨＩＪから二方向に噴射された水素Ｈ２は、先ず、それぞれ図３に示すようにシリンダ１１の内壁面に沿って水素噴射弁ＨＩＪの対角位置まで流動する。続いて、図４に示すように水素Ｈ２の一部が互いに衝突・合流して点火プラグ３１の近傍に流動し、結果として点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成される。なお、図２〜図４において水素Ｈ２が分布していない領域には、水素噴射に先立って燃料噴射弁ＩＪから噴射されたガソリン混合気が存在している。
【００２９】
ここで、第１の内燃機関１０における噴射制御について簡単に説明すると、制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態に基づいて内燃機関１０が生成すべき全熱量を算出する。制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転負荷に応じて添加すべき水素の熱量割合ＲＨ２を決定する。水素の熱量割合ＲＨ２は、少ない場合にはノッキングの発生を抑制・防止することができず、多い場合にはシリンダ１１内温度の上昇を招き却ってノッキングの発生を助長するので、例えば、全熱量に対して約１０％〜約３０％の範囲であることが好ましく、更に１５〜２５％の範囲であることがより好ましい。
【００３０】
制御ユニット４０は、決定した水素の熱量割合ＲＨ２に応じて、水素噴射量、ガソリン噴射量を決定し、通常のタイミングにて燃料噴射弁ＩＪを駆動してガソリンを噴射し、圧縮行程中に水素噴射弁ＨＩＪを駆動して水素Ｈ２をシリンダ１１内に直接供給する。制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態に基づいた点火時期に点火プラグ３１を介して水素、ガソリンを含む混合気に火花点火する。点火時には、シリンダ１１（燃焼室）では図４に示す水素濃度分布が形成されていることは言うまでもない。また、点火時期は、水素Ｈ２を添加することによって遅角させることが可能となり、例えば、最も出力が得られる時期（ＭＢＴ）に点火することが好ましい。かかる場合には、従来と比較して高い出力が得られると共にノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００３１】
以上説明したように第１の実施例に係る火花点火式内燃機関１０によれば、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域を形成することができるので、内燃機関１０におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００３２】
これは、自着火温度が高く耐ノッキング性に優れているという特性を有する水素の物性に依存するところが大きい。一般的にノッキングは、シリンダ１１の内壁面に沿う領域において発生しやすいが、自着火温度の高い水素Ｈ２をシリンダ１１の内壁面に沿う領域に偏在させることにより、シリンダ１１の内壁面におけるガソリン混合気の自着火を抑制することができる。ここで、シリンダ１１の内壁面におけるガソリン混合気の自着火の抑制は、水素Ｈ２が有する高い耐ノッキング性能の他に、水素Ｈ２をガソリン、天然ガス、液化石油ガス等のＨＣ系燃料に添加することによって、自着火の発生の原因と言われているフリーラジカル（−ＯＨ等の不対電子を有する原子・分子）にＨ＋が反応し、ラジカルそのものの数を減少させていることにも起因すると考えられる。
【００３３】
また、水素Ｈ２は、燃焼速度が高く、着火性に優れるという特性を有している。したがって、点火プラグ３１の近傍に供給することでガソリン混合気の着火性を向上させることができる。さらに、燃焼速度が高いので、着火後の火炎伝播時間は短くなり、シリンダ１１の内壁面に沿って存在するガソリン混合気が自着火する前に、点火プラグ３１によって点火生成された火炎の伝播によってシリンダ１１の内壁面に沿って存在するガソリン混合気を燃焼させることができる。
【００３４】
・第２の実施例：
図５〜図７を参照して第２の実施例に係る内燃機関１０ａについて説明する。図５は第２の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素Ｈ２を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。図６は図５に示す内燃機関のシリンダブロックを６−６線によって切断した断面の一部を模式的に示す説明図である。図７は第２の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【００３５】
第２の実施例に係る内燃機関１０ａは、ピストン１３ａの頂面に窪み１３１を有する点、水素噴射弁ＨＩＪ’の噴射孔が３つ備えられている点を除いて第１の実施例に係る内燃機関１０と同一の構成を備えるので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
第２の実施例に従うピストン１３ａは、図５および図６に示すように、その頂面に窪み１３１（キャビティ）を有している。また、第２の実施例に従う水素噴射弁ＨＩＪ’は、図５に示すように、キャビティ１３１に向けた中央の噴孔５０、シリンダ１１の内壁面に向けた２つの側方の噴孔５１、５２から三方向に対して水素Ｈ２を噴射する。
【００３７】
キャビティ１３１は、点火プラグ３１より排気側寄りに形成されている壁面１３２を有し、水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０から噴射された水素Ｈ２を全て受け止められる程度の幅を有している。なお、幅とは水素Ｈ２の噴射方向に直交する方向の寸法である。キャビティ１３１は、壁面１３２によって、水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０から噴射された水素Ｈ２を点火プラグ３１の近傍に導く。
【００３８】
水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０から噴射される水素Ｈ２は、キャビティ１３１に向けて下向き（ピストン１３ａ方向）の角度を伴って噴射される。側方の噴孔５１、５２から噴射される水素Ｈ２は、キャビティ１３１に入らないよう水素噴射弁ＨＩＪ’の左右方向に位置するシリンダ１１の内壁面に向けて噴射されると共に、下向きの噴射角度は中央の噴孔５０から噴射される水素Ｈ２と比較して小さい。
【００３９】
水素噴射弁ＨＩＪ’から水素Ｈ２が噴射されるタイミング、すなわち水素噴射時期は、点火プラグ３１による点火時期、例えば、ピストン３１が圧縮上死点近傍にあるとき、に図７に示すような水素濃度分布がシリンダ１１（燃焼室）内に形成されるタイミングであり、例えば、４０°ＢＴＤＣまでに噴射が完了するタイミングにて噴射される。水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０から噴射された水素Ｈ２は、図７に示すように、キャビティ１３１の壁面１３２によって点火プラグ３１の近傍に導かれる。一方、水素噴射弁ＨＩＪ’の側方の噴孔５１、５２から噴射されたＨ２は、図７に示すようにシリンダ１１の内壁面に沿って水素噴射弁ＨＩＪ’の対角位置まで流動する。この結果、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成される。なお、図５および図７において水素Ｈ２が分布していない領域には、水素噴射に先立って燃料噴射弁ＩＪから噴射されたガソリン混合気が存在している。
【００４０】
以上説明した第２の実施例によれば、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成されるので、点火プラグ３１によるガソリン混合気の着火性を向上させることができると共に、シリンダ１１の内壁面におけるガソリン混合気の自着火を抑制・防止することができる。特に、第２の実施例では、点火プラグ３１の近傍に対しては、水素噴射弁ＨＩＪ’の中央の噴孔５０からキャビティ１３１を介して水素Ｈ２が噴射・供給されるので、水素Ｈ２の噴射圧力をシリンダ内圧力に抗する圧力まで低減することができると共に、着火性を大幅に向上させて全体の燃焼期間を短縮させることができる。また、点火プラグ３１へ水素Ｈ２を供給するための噴孔５０とシリンダ１１の内壁面に沿う領域に水素Ｈ２を供給する噴孔５１、５２をそれぞれ備えることにより、点火プラグ３１近傍とシリンダ１１の内壁面に沿う領域に確実に水素濃度の濃い領域を形成することができるため、ノッキングの発生をより確実に抑制・防止することができる。
【００４１】
・第３の実施例：
図８〜図１０を参照して第３の実施例に係る内燃機関について説明する。図８は第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素Ｈ２を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。図９は第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。図１０は第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素Ｈ２の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【００４２】
第３の実施例に係る内燃機関は、ピストン１３ｂの頂面に窪み１３３を有する点を除いて第１の実施例に係る内燃機関１０と同一の構成を備えるので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
第３の実施例に従うピストン１３ｂは、図８〜図１０に示すように、その頂面に窪み１３３（キャビティ）を有している。第３の実施例における水素噴射弁ＨＩＪは、第１の実施例における水素噴射弁ＨＩＪと同様に所定の開き角θを有する２つの噴射孔を有しており、水素Ｈ２はシリンダ１１の内壁面に沿うようにして第１の方向Ｄ１、第１の方向とは異なる第２の方向Ｄ２にそれぞれ噴射される。所定の開き角θは、噴射された水素Ｈ２をシリンダ１１の内壁面に沿う領域に存在させる角度とされている。
【００４４】
キャビティ１３１は、水素Ｈ２の噴射方向に直交する方向に長い略楕円形状を有しており、また、水素噴射弁ＨＩＪから噴射された水素Ｈ２の一部を捕捉して点火プラグ３１の近傍に導く壁面１３４を有している。すなわち、キャビティ１３３の壁面１３４は、その両端部が、水素噴射弁ＨＩＪから噴射され、シリンダ１１の内壁面沿って流動する水素Ｈ２の流路と交差するように形成されている。
【００４５】
水素噴射弁ＨＩＪから水素Ｈ２が噴射されるタイミング、すなわち水素噴射時期は、点火プラグ３１による点火時期、例えば、ピストン３１が圧縮上死点近傍にあるとき、に図１０に示すような水素濃度分布がシリンダ１１（燃焼室）内に形成されるタイミングであり、例えば、４０°ＢＴＤＣまでに噴射が完了するタイミングにて噴射される。水素噴射弁ＨＩＪから噴射された水素Ｈ２は、図９に示すように、その一部がキャビティ１３３の壁面１３４によって捕捉され、捕捉された水素Ｈ２は点火プラグ３１の近傍に導かれる。一方、キャビティ１３３によって捕捉されなかった水素Ｈ２は図９に示すようにシリンダ１１の内壁面に沿って水素噴射弁ＨＩＪの対角位置に向かって流動する。点火プラグ３１による点火時期には、図１０に示すように、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内周壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成される。なお、図８および図１０において水素Ｈ２が分布していない領域には、水素噴射に先立って燃料噴射弁ＩＪから噴射されたガソリン混合気が存在している。
【００４６】
以上説明した第３の実施例によれば、点火プラグ３１の近傍およびシリンダ１１の内壁面に沿う領域に水素濃度の濃い領域が形成されるので、点火プラグ３１によるガソリン混合気の着火性を向上させることができると共に、シリンダ１１の内壁面におけるガソリン混合気の自着火を抑制・防止することができる。特に、第３の実施例では、キャビティ１３３によって水素噴射弁ＨＩＪから噴射された水素Ｈ２の一部が点火プラグ３１の近傍に対して供給されるので、点火プラグ３１近傍とシリンダ１１の内壁面に沿う領域に確実に水素濃度の濃い領域を形成することができるため、ノッキングの発生をより確実に抑制・防止することができる。
【００４７】
・その他の実施例：
上記実施例では、高圧水素タンクＨＴに高圧貯蔵された水素ガスを用いたが、液体水素を用いても良い。また、上記実施例では、純水素を用いたが、内燃機関１０に改質器を搭載し、改質器によって生成された水素リッチガスを用いても良い。
【００４８】
上記実施例では、ノッキング抑制剤として高い自着火温度および高い燃焼速度を有する水素、アセチレンを例として挙げたが、高い自着火温度を有する物質（気体、液体、固体）を、内燃機関１０に要求される全熱量に対して約１０％〜３０の熱量割合にて、圧縮行程後半（例えば、約４０°ＢＴＤＣ）にシリンダ１１の内壁面に噴射しても良い。既述のように、ノッキングはシリンダ１１の内壁面に沿う領域において主に発生するので、この領域に適量の高自着火温度を有する物質を存在させることにより、主燃料のノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００４９】
上記実施例では、主燃料としてガソリン燃料を用いているが天然ガス燃料、液化石油ガス燃料等を用いても良い。燃焼時における生成熱量がガソリンと同様であれば、水素熱量割合ＲＨ２は１０〜３０％が好ましく、１５〜２５％がより好ましい。また、燃焼時における生成熱量がガソリンと異なる燃料である場合には、燃焼時における生成熱量に応じて、水素熱量割合ＲＨ２は適宜決定される。
【００５０】
上記実施例では、ポート噴射タイプの燃料噴射弁ＩＪが用いられているが、シリンダ１１内に直接燃料が噴射される直噴タイプの燃料噴射弁が用いられても良い。
【００５１】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る火花点火式内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。
【図３】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図４】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図５】第２の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。
【図６】図５に示す内燃機関のシリンダブロックを６−６線によって切断した断面の一部を模式的に示す説明図である。
【図７】第２の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図８】第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内へ水素を供給する際の状態を模式的に示す説明図である。
【図９】第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図１０】第３の実施例に係る火花点火式の内燃機関のシリンダブロックをシリンダヘッド側から見た、シリンダ内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ…内燃機関
１１…シリンダ
１２…シリンダブロック
１３、１３ａ、１３ｂ…ピストン
１３１、１３３…窪み（キャビティ）
１３２、１３４…壁面
１４…クランクケース
１５…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６１…吸気バルブ
１７…排気ポート
１７１…排気バルブ
１８…吸気管
１９…排気管
３１…点火プラグ
４０…制御ユニット
５０…中央の噴孔
５１、５２…側方の噴孔
ＩＣ…吸気側カム
ＥＣ…排気側カム
ＩＪ…燃料噴射弁（インジェクタ）
ＦＤ…燃料デリバリパイプ
ＨＩＪ、ＨＩＪ’…水素噴射弁
ＨＦＤ…水素デリバリパイプ
ＨＴ…高圧水素タンク
Claims (9)
- 火花点火により燃料が点火される内燃機関であって、
火花点火を実行する火花点火装置と、
主燃料を供給する主燃料供給装置と、
高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤を、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置によって生成される火炎の伝播方向の端部領域における濃度が他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するノッキング抑制剤供給装置とを備える内燃機関。 - 請求項１に記載の内燃機関はさらに、
シリンダを有するシリンダブロックを備え、
前記火炎の伝播方向の端部領域は、前記火花点火装置近傍および前記シリンダの内壁面に沿った領域であり、
前記ノッキング抑制剤供給装置は、前記火花点火装置近傍および前記シリンダの内壁面に向けて前記ノッキング抑制剤を供給する内燃機関。 - 請求項１に記載の内燃機関はさらに、
シリンダを有するシリンダブロックを備え、
前記火花点火装置は、前記シリンダの径方向の略中央に配置され、
前記火炎の伝播方向の端部領域は、前記火花点火装置近傍および前記シリンダの内壁面に沿った領域であり、
前記ノッキング抑制剤供給装置は、前記シリンダの内壁面に沿う第１の方向と第１の方向とは異なる第２の方向に向けて前記ノッキング抑制剤を供給する内燃機関。 - 請求項１に記載の内燃機関はさらに、
シリンダを有するシリンダブロックと、
前記シリンダ内を往復動すると共に前記火花点火装置と対向する頂面を有し、その頂面に供給された流体を前記火花点火装置へと導くための誘導部を有するピストンとを備え、
前記ノッキング抑制剤供給装置は、前記ピストン内部に前記ノッキング抑制剤を直接供給できると共に、圧縮行程において、前記ピストンの誘導部および前記シリンダの内壁面に対して前記ノッキング抑制剤を供給する内燃機関。 - 請求項１に記載の内燃機関はさらに、
シリンダを有するシリンダブロックと、
前記シリンダ内を往復動すると共に前記火花点火装置と対向する頂面を有し、前記シリンダの内壁面に供給された流体の一部を前記火花点火装置へと導くための誘導部を前記頂面に有するピストンとを備え、
前記ノッキング抑制剤供給装置は、圧縮行程において、前記シリンダの内壁面に沿って第１の方向と第１の方向とは異なる第２の方向に対して前記ノッキング抑制剤を供給する内燃機関。 - 高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤と主燃料とが燃料として供給され、火花点火により燃料が点火される内燃機関であって、
シリンダを有するシリンダブロックと、
火花点火を実行する火花点火装置と、
前記主燃料を供給する主燃料供給装置と、
前記火花点火装置による点火時における、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置から前記シリンダの径方向に最も離間した領域における前記ノッキング抑制剤の濃度が、他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給するノッキング抑制剤供給装置とを備える内燃機関。 - 請求項１ないし請求項６にいずれかに記載の内燃機関において、
前記主燃料はガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油ガス燃料であり、
前記ノッキング抑制剤は水素である内燃機関。 - 火花点火装置により燃料が点火される内燃機関における燃焼制御方法であって、
主燃料を供給し、
高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤を、前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置によって生成される火炎の伝播方向の端部領域における濃度が他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給し、
前記供給した主燃料およびノッキング抑制剤に対する火花点火を実行する方法。 - 高い自着火温度と高い燃焼速度とを有するノッキング抑制剤と主燃料とが燃料として供給され、火花点火装置により燃料が点火される内燃機関における燃焼制御方法であって、
前記主燃料を供給し、
前記火花点火装置近傍および前記火花点火装置から前記シリンダの径方向に最も離間した領域における前記ノッキング抑制剤の濃度を他の領域における濃度よりも濃くなるよう供給し、
前記供給した主燃料およびノッキング抑制剤に対する火花点火を実行する方法。
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