JP2006188977A - 内燃機関及び内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自着火し難い燃料を、より確実に着火させること。
【解決手段】燃料を燃焼室１０内に噴射する燃料噴射手段としてメインインジェクタ２１とサブインジェクタ２２とを設ける。このうち、メインインジェクタ２１からは、内燃機関１を運転する際のメイン燃料となる水素を燃焼室１０内に噴射し、サブインジェクタ２２からは、メイン燃料である水素よりもセタン価が高い軽油をサブ燃料として燃焼室１０内に噴射する。また、軽油は、水素の噴射の直前に噴射する。これにより、水素の噴射直前に、燃焼室１０内で軽油を拡散燃焼できるので、圧縮行程時の燃焼室１０内の温度である圧縮端温度を、水素が自着火するのに十分な温度まで上昇させることができ、その後、水素を燃焼室１０内に噴射することにより、水素を拡散燃焼させることができる。この結果、自着火し難い燃料を、より確実に着火させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関及び内燃機関の制御方法に関するものである。特に、この発明は、拡散燃焼における燃料の着火の確実性を向上させることのできる内燃機関及び内燃機関の制御方法に関するものである。

従来の内燃機関では、燃焼に寄与できなかった燃料がそのまま大気に放出されたり、酸素不足で燃料が燃焼した場合に、燃料やエンジンオイルなどが脱水素反応を起こして炭化してこれらが大気に放出されたりすることにより、排気微粒子状物質、いわゆるパティキュレートを排出する虞がある。このパティキュレートは大気汚染や健康害に影響を及ぼす虞があるため、従来の内燃機関では、パティキュレートの排出を抑制するために様々な手段が用いられている。例えば、特許文献１では、燃焼室内に水素や酸素を注入することにより、脱水素反応を抑制したり、酸素不足によるパティキュレートの生成を抑制したりしている。これにより、パティキュレートの排出量を低減していた。

特開２００１−３２３８２３号公報

しかしながら、近年の内燃機関では、さらに排出ガスの浄化を図るため、燃焼時に大気汚染に影響のある物質を生成しない燃料の使用が試みられている。例えば、水素を燃料として使用した場合には、基本的に燃焼時には水しか生成しないため、内燃機関で使用する燃料として水素を用いることにより、軽油などを燃料にしていた従来の内燃機関と比較して排出ガスの浄化を図ることができる。しかし、水素など燃焼時に大気汚染に影響のある物質の低減を図ることのできる燃料は、自着火温度が高く、着火し難いものがあるのが、このような燃料の場合、内燃機関の燃料としての使用するのは困難である、という問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、自着火し難い燃料を、より確実に着火させることのできる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る内燃機関は、拡散燃焼式の内燃機関であって、拡散燃焼をする複数の燃料のうちの主たる前記燃料であるメイン燃料を燃焼室内に噴射するメイン燃料噴射手段と、前記複数の燃料のうち前記メイン燃料よりもセタン価の高い前記燃料であるサブ燃料を、前記メイン燃料噴射手段による前記メイン燃料の噴射の直前に前記燃焼室内に噴射するサブ燃料噴射手段と、を備えることを特徴とする。

また、この発明に係る内燃機関の制御方法は、燃焼室内に噴射する複数の燃料のうちの主たる前記燃料であるメイン燃料よりもセタン価が高い前記燃料であるサブ燃料を前記燃焼室内に噴射するサブ燃料噴射手順と、前記サブ燃料噴射手順での前記燃焼室内への前記サブ燃料の噴射直後に前記メイン燃料を前記燃焼室内へ噴射するメイン燃料噴射手順と、を含むことを特徴とする。

これらの発明では、メイン燃料の噴射直前にサブ燃料を燃焼室内に噴射している。サブ燃料はメイン燃料よりもセタン価が高いため、燃焼室内に噴射することにより、メイン燃料を直接噴射する場合と比べて、サブ燃料は拡散燃料をし易くなる。このように、サブ燃料が拡散燃焼した直後にメイン燃料を噴射するので、メイン燃料は、サブ燃料の拡散燃焼による火炎によって点火される。これにより、メイン燃料に水素など自着火し難い燃料を使用した場合でも、メイン燃料を着火させることができる。この結果、自着火し難い燃料を、より確実に着火させることができる。

また、この発明に係る内燃機関は、前記燃焼室内の圧縮端温度を検出する圧縮端温度検出部と、前記圧縮端温度検出部で検出した前記圧縮端温度が所定値以上であるか否かを判断する圧縮端温度判断部と、前記圧縮端温度判断部で前記圧縮端温度が所定値以上であると判断した場合には、前記サブ燃料噴射手段で前記燃焼室内に噴射する前記サブ燃料の噴射量を減量するサブ燃料噴射量調整部と、を備えることを特徴とする。

この発明では、燃焼室の圧縮端温度が所定値以上であるかを判断する圧縮端温度判断部を設けている。さらに、この圧縮端温度判断部の判断結果により、サブ燃料噴射手段で噴射するサブ燃料の噴射量を調整するサブ燃料噴射量調整部を設けている。詳細には、サブ燃料噴射量調整部は、圧縮端温度判断部が、圧縮端温度は所定値以上であると判断した場合には、サブ燃料噴射手段で噴射するサブ燃料の噴射量を減量する。このため、当該拡散燃料式内燃機関の運転時のサブ燃料の噴射量を低減できるので、サブ燃料に例えば軽油などを使用する場合には、その使用量を低減できるので、エミッションの改善を図ることができる。この結果、運転時のエミッションの改善を図ることができる。

また、この発明に係る内燃機関は、前記燃焼室内での前記メイン燃料の着火状態を検出するメイン燃料着火状態検出部と、前記メイン燃料着火状態検出部で検出した前記メイン燃料の着火状態より前記メイン燃料の着火不良があるか否かを判断するメイン燃料着火不良判断部と、を備えており、前記サブ燃料噴射量調整部は、前記メイン燃料着火不良判断部が前記メイン燃料の着火不良があると判断した場合に、前記サブ燃料噴射手段で前記燃焼室内に噴射する前記サブ燃料の噴射量を増量することを特徴とする。

この発明では、メイン燃料の着火不良があるかどうかを判断するメイン燃料着火不良判断部を設けている。さらに、メイン燃料着火不良判断部での判断結果に応じて、サブ燃料噴射手段で噴射するサブ燃料の噴射量をサブ燃料噴射量調整部で調整している。詳細には、サブ燃料噴射量調整部は、メイン燃料着火不良判断部が、メイン燃料が着火不良を起こしていると判断した場合には、サブ燃料噴射手段で噴射するサブ燃料の噴射量を増量する。このため、メイン燃料の着火不良を低減することができる。この結果、自着火し難い燃料を、より確実に着火させることができる。

また、この発明に係る内燃機関は、前記サブ燃料噴射手段は、前記メイン燃料噴射手段による前記燃焼室内への前記メイン燃料の噴射量が不足する際に前記燃焼室内に前記サブ燃料を噴射することを特徴とする。

この発明では、メイン燃料噴射手段でのメイン燃料の噴射量が不足する際、例えば、高回転高負荷で内燃機関が運転している場合に、サブ燃料噴射手段でサブ燃料を噴射するので、メイン燃料の不足分をサブ燃料で補うことができる。この結果、高回転高負荷など、メイン燃料の噴射量が不足する状態においても内燃機関を運転することができる。

本発明にかかる内燃機関及び内燃機関の制御方法は、自着火し難い燃料を、より確実に着火させることができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる内燃機関及び内燃機関の制御方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。また、メイン燃料やサブ燃料はそれぞれ様々な燃料が考えられるが、以下の説明ではそれぞれ一例として、メイン燃料は水素とし、サブ燃料は軽油として説明する。

図１は、本発明の実施例に係る内燃機関の構成を示す概略図である。同図に示す内燃機関１は、複数の気筒を有しており、各気筒は、内部に燃焼室１０が形成されたシリンダブロック５及びシリンダヘッド６を有している。また、シリンダブロック５の内部にはピストン７が配設されており、前記シリンダヘッド６は、シリンダブロック５におけるピストン７が上死点に向かう方向側の端部に固定されている。なお、内燃機関１が有する気筒は単数であってもよい。

前記シリンダヘッド６には吸気通路１３と排気通路１４とが接続されており、吸気通路１３と排気通路１４とは、共に燃焼室１０に連通されている。このうち、吸気通路１３が燃焼室１０に対して開口している部分には、当該開口部分を開閉する吸気バルブ１１が設けられている。また、排気通路１４が燃焼室１０に対して開口している部分には、当該開口部分を開閉する排気バルブ１２が設けられている。また、これらの吸気バルブ１１及び排気バルブ１２は、基本的には回転数に応じて開閉タイミングが変更可能になっている。

また、シリンダヘッド６には、燃料を前記燃焼室１０内に噴射する燃料噴射手段であるインジェクタが２つ配設されている。この２つのインジェクタのうち、一方のインジェクタは、メイン燃料となる水素を燃焼室１０内に噴射するメイン燃料噴射手段であるメインインジェクタ２１として設けられている。また、他方のインジェクタは、サブ燃料となる軽油を燃焼室１０内に噴射するサブ燃料噴射手段であるサブインジェクタ２２として設けられている。これらのインジェクタのうち、メインインジェクタ２１は、水素を貯蔵する水素タンク（図示省略）に接続されており、水素タンク内の水素は、メインインジェクタ２１と水素タンクとの間に位置するポンプ（図示省略）でメインインジェクタ２１に圧送される。同様に、サブインジェクタ２２は、軽油を貯蔵する軽油タンク（図示省略）に接続されており、軽油タンク内の軽油は、サブインジェクタ２２と軽油タンクとの間に位置するポンプ（図示省略）でサブインジェクタ２２に圧送される。なお、軽油の噴射量は、燃焼室１０内に噴射する水素の量の数％であることが好ましい。

前記メインインジェクタ２１及びサブインジェクタ２２は、制御部３０に接続されている。この制御部３０は、圧縮端温度検出部３１、圧縮端温度判断部３２、水素着火状態検出部３３、水素着火不良判断部３４、軽油噴射量調整部３５、水素噴射量調整部３６を有している。

制御部３０が有する圧縮端温度検出部３１は、前記燃焼室１０内に吸気される吸気温度と、ピストン７の作動による燃焼室１０内の空間の圧縮比とによって、圧縮端温度、つまり、ピストン７が上死点の方向に移動した際の燃焼室１０内の温度を算出し、推定する。その際に、吸気温度は、前記吸気通路１３に設けられた吸気温センサ４１によって検出する。また、圧縮端温度判断部３２は、圧縮端温度検出部３１に接続されており、圧縮端温度検出部３１で推定した圧縮端温度が、所定値、即ち、水素が自着火するのに十分な温度であるか否かを判断する。

また、水素着火状態検出部３３は、シリンダヘッド６に設けられた筒内圧センサ４２に接続されている。この筒内圧センサ４２は、燃焼室１０の内圧を検出し、検出した結果を水素着火状態検出部３３に伝達する。水素着火状態検出部３３では、筒内圧センサ４２から伝達された燃焼室１０の内圧より、水素の着火状態を検出する。また、水素着火不良判断部３４は、水素着火状態検出部３３に接続されており、水素着火状態検出部３３で検出された水素の着火状態より、水素に着火不良が発生しているか否かを判断する。

また、軽油噴射量調整部３５は、前記圧縮端温度判断部３２と前記水素着火不良判断部３４とに接続されている。また、この軽油噴射量調整部３５は、前記サブインジェクタ２２に接続されており、サブインジェクタ２２から燃焼室１０内に噴射する軽油の量を調整する。その際に、圧縮端温度判断部３２、或いは水素着火不良判断部３４で判断した結果に基づき、サブインジェクタ２２で噴射する軽油の量を増減する。例えば、圧縮端温度判断部３２で、圧縮端温度が所定値以上であると判断された場合、即ち、水素が自着火するのに十分な温度であると判断された場合には、サブインジェクタ２２から噴射する軽油の量を減量する。また、水素着火不良判断部３４で、燃焼室１０内の水素に着火不良が発生していると判断された場合には、サブインジェクタ２２から噴射する軽油の量を増量する。また、水素噴射量調整部３６は、前記メインインジェクタ２１に接続されており、メインインジェクタ２１から燃焼室１０内に噴射する水素の量を調整する。

ここで、上記制御部３０には、さらに記憶部（図示省略）及び処理部（図示省略）が設けられている。前記記憶部には、本発明に係る内燃機関の制御方法を実現するコンピュータプログラムが格納されている。この記憶部は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、又はフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ等のような読み出しのみが可能な記憶媒体）や、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

前記処理部は、メモリ及びＣＰＵにより構成されている。前記内燃機関１の運転時に噴射する燃料の噴射量を調整するには、前記吸気温センサ４１や前記筒内圧センサ４２などの各種センサで検出した検出結果に基づいて、処理部が前記コンピュータプログラムを当該処理部に組み込まれたメモリに読み込んで演算する。その際に処理部は、適宜記憶部へ演算途中の数値を格納し、また格納した数値を取り出して演算を実行する。なお、この内燃機関の制御方法は、前記コンピュータプログラムの代わりに、制御部３０とは異なる専用のハードウェアにより実現されるものであっても良い。

この実施例に係る内燃機関の制御方法によって制御される内燃機関１は、以上のごとき構成からなり、以下、その作用について説明する。前記内燃機関１の運転は、前記ピストン７が前記シリンダブロック５内で往復運動を繰り返すことにより、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程を繰り返して運転する。各行程の概略は、吸気行程では、排気バルブ１２は閉じ、吸気バルブ１１を開いて吸気通路１３から燃焼室１０内に空気のみを取り入れ、圧縮行程では吸気バルブ１１も閉じて燃焼室１０内に取り入れた空気を圧縮する。燃焼行程では、圧縮した空気に対して燃料を噴射することにより燃料を拡散燃焼させ、排気行程では排気バルブ１２を開いて、燃焼後の排気ガスを排気通路１４の方向に排出する。これらの各行程のうち、燃焼行程では、上述したように燃料が拡散燃焼をするので、燃料と空気との混合気の体積が膨張すると共に圧力が上昇する。これにより、燃焼行程開始時には上死点（図示省略）付近に位置していたピストン７を下死点（図示省略）方向に移動させる。

図２は、燃料の噴射タイミングを示す図である。燃料の噴射のタイミングを詳細に説明すると、圧縮行程においてピストン７が上死点よりも下死点方向に位置している段階では、ピストン７は下死点方向から上死点方向に移動する。圧縮行程時は空気のみが圧縮されるが、圧縮行程ではピストン７が下死点方向から上死点方向に向かうに従って燃焼室１０内の圧力である筒内圧は上昇する。このため、クランク角に対応して燃焼室１０の内圧を示す線である筒内圧線５０は、クランクシャフト（図示省略）の回転方向において上死点よりも手前から上死点の方向に向かうに従って筒内圧が上昇する方向に上昇する。前記サブインジェクタ２２は、圧縮行程においてピストン７が上死点に達する直前に軽油を燃焼室１０内に噴射する。このため、クランク角に対応してサブインジェクタ２２が軽油を噴射するタイミングを示す線である軽油噴射タイミング線５２は、クランクシャフトの回転方向において上死点より若干手前で軽油を噴射している。サブインジェクタ２２が軽油を噴射した時点では、燃焼室１０内の空気は圧縮行程によって断熱圧縮されているので、圧縮行程時の燃焼室１０内の温度である圧縮端温度は上昇している。

また、サブインジェクタ２２で噴射する軽油は、メインインジェクタ２１で噴射する水素よりも自着火温度が低いため、着火し易い。即ち、サブインジェクタ２２で噴射する軽油は、メインインジェクタ２１で噴射する水素よりもセタン価が高くなっている。このため、この軽油を圧縮行程においてピストン７が上死点直前に位置した段階でサブインジェクタ２２から燃焼室１０内に噴射することにより、軽油は自着火し、さらに燃焼室１０内で拡散燃焼する。このように、ピストン７が上死点直前に位置している段階から軽油を噴射したサブインジェクタ２２は、軽油噴射タイミング線５２で示すように、ピストン７が上死点まで移動した時点で噴射を停止する。このため、サブインジェクタ２２は、少量の軽油を短時間で噴射する。また、これらのように、サブインジェクタ２２で少量の軽油を燃焼室１０内に噴射して軽油を拡散燃焼させることにより、圧縮端温度は上昇する。

ピストン７が上死点まで移動し、サブインジェクタ２２が軽油の噴射を停止すると同時に、或いは、サブインジェクタ２２による軽油の噴射直後に、メインインジェクタ２１は水素を燃焼室１０内に噴射する。このため、クランク角に対応してメインインジェクタ２１が水素を噴射するタイミングを示す線である水素噴射タイミング線５１は、クランクシャフトの回転方向において上死点で水素を噴射している。このようにメインインジェクタ２１によって水素が燃焼室１０内に噴射された時点では、燃焼室１０内は軽油の拡散燃焼により圧縮端温度は上昇している。メインインジェクタ２１で噴射する水素は、サブインジェクタ２２で噴射する軽油と比較して、自着火温度が高いため、着火し難い。即ち、水素は軽油と比較してセタン価が低くなっている。このように、水素はセタン価が低いため着火し難いが、燃焼室１０内は上述したようにサブインジェクタ２２で噴射された軽油の拡散燃焼によって圧縮端温度が高くなっている。このため、水素も自着火して拡散燃焼をする。なお、この水素は、圧縮端温度が高くなっていることによって自着火するのみでなく、軽油の拡散燃焼による火炎に水素が接することによって水素が点火され、拡散燃焼を始める場合もある。

水素は、当該内燃機関１で使用する燃料のうち、メイン燃料として使用されており、この水素が拡散燃焼することにより、筒内圧は上昇する。このように、筒内圧が上昇すると、その圧力によってピストン７は下死点の方向に押し下げられ、燃焼室１０の容積は大きくなる。これにより、筒内圧は、筒内圧線で示すように、緩やかに低減する。このように、メイン燃料として使用される水素が拡散燃焼をすることにより、確実に燃焼行程が行われる。また、水素噴射タイミング線５１で示すように、メインインジェクタ２１はクランクシャフトが上死点から所定の角度で回転した時点で噴射を停止する。このため、メインインジェクタ２１で噴射される水素は、当該内燃機関１の運転に必要な量を燃焼行程中の所定の時間だけ噴射されるので、燃焼室１０内で拡散燃焼する水素は、的確な圧力でピストン７を押し下げ、当該内燃機関１を運転させ続けることができる。

図３は、実施例に係る内燃機関の制御方法のフロー図である。また、上述した内燃機関１の吸気バルブ１１及び排気バルブ１２は、クランクシャフトの回転数に応じて開閉タイミングが変更可能になっているが、このように吸気バルブ１１及び排気バルブ１２を変更すると、圧縮比が変化する場合がある。このため、圧縮行程時の圧縮端温度が変化する場合があるので、その変化に合わせてサブインジェクタ２２から噴射する軽油の量を増減する。具体的には、まず、圧縮端温度検出手順で、圧縮行程時の燃焼室１０内の温度である圧縮端温度を検出する（ステップＳＴ１）。この圧縮端温度検出手順では、圧縮端温度検出部３１で、ピストン７が移動することにより変化する燃焼室１０の容積の最大値と最小値との比率である圧縮比と、吸気バルブ１１の開閉タイミングとによって、実際の空気の圧縮比である実圧縮比を算出する。さらに、この実圧縮比と、吸気通路１３に配設されている吸気温センサ４１で検出した吸気温度とによって、圧縮端温度を算出して圧縮端温度を推定する。これにより、圧縮端温度が検出される。

次に、圧縮端温度判断手順で、圧縮端温度検出手順で検出した圧縮端温度が、所定値以上であるかを判断する（ステップＳＴ２）。この圧縮端温度判断手順では、圧縮端温度判断部３２で、圧縮端温度が所定値、つまり、メイン燃料である水素が自着火するのに十分な温度であるか否かを判断する。圧縮端温度が所定値以上の場合には、後述するサブ燃料噴射量減量手順（ステップＳＴ３）に移行し、圧縮端温度が所定値よりも低い場合には、後述するサブ燃料噴射手順（ステップＳＴ４）に移行する。

サブ燃料噴射量減量手順では、サブインジェクタ２２から噴射する軽油の量が減るように設定する（ステップＳＴ３）。前記軽油噴射量調整部３５は、サブインジェクタ２２から燃焼室１０内に噴射する軽油の量を調整するが、サブ燃料噴射量減量手順では、サブインジェクタ２２から噴射する軽油を減量するように軽油噴射量調整部３５を設定する。

サブ燃料噴射手順では、軽油噴射量調整部３５で設定された噴射量に応じて、サブインジェクタ２２から燃焼室１０内にサブ燃料である軽油を噴射する（ステップＳＴ４）。これにより、サブインジェクタ２２から噴射される軽油の量が調整される。同様に、メイン燃料噴射手順で、前記水素噴射量調整部３６で設定された噴射量に応じて、メインインジェクタ２１から燃焼室１０内にメイン燃料である水素を噴射する（ステップＳＴ５）。これにより、メインインジェクタ２１から噴射される水素の量が調整される。

次に、メイン燃料着火状態検出手順で、メイン燃料噴射手順で燃焼室１０内に噴射された水素の着火状態を検出する（ステップＳＴ６）。このメイン燃料着火状態検出手順では、水素着火状態検出部３３で、当該水素着火状態検出部３３に接続された筒内圧センサ４２が検出した燃焼室１０の内圧を検出し、この燃焼室１０の内圧より、水素の着火状態を検出する。

次に、メイン燃料着火不良判断手順で、メイン燃料着火状態検出手順で検出した水素の着火状態より、水素の着火不良があるかを判断する（ステップＳＴ７）。このメイン燃料着火不良判断手順では、水素着火状態検出部３３が検出した水素の着火状態より、水素着火不良判断部３４で燃焼室１０内の水素の着火不良があるか否かを判断する。水素の着火不良があると判断された場合には、後述するサブ燃料噴射量増量手順（ステップＳＴ８）に移行し、水素の着火不良は無いと判断された場合には、次のサイクルに移行する。即ち、次回の圧縮端温度検出手順（ステップＳＴ１）に移行する。

サブ燃料噴射量増量手順では、サブインジェクタ２２から噴射する軽油の量が増えるように設定する（ステップＳＴ８）。前記軽油噴射量調整部３５は、サブインジェクタ２２から燃焼室１０内に噴射する軽油の量を調整するが、サブ燃料噴射量増量手順では、サブインジェクタ２２から噴射する軽油を増量するように軽油噴射量調整部３５を設定する。これにより、次にサブインジェクタ２２から噴射される際に、軽油が増量された状態で噴射される。実施例に係る内燃機関の制御方法は、これらを１サイクルとして、前記内燃機関１の回転に合わせてこのサイクルでステップＳＴ１〜ステップＳＴ８を繰り返す。

以上の内燃機関１は、燃焼室１０内に燃料を噴射する燃料噴射手段としてメインインジェクタ２１とサブインジェクタ２２とを設けている。このうち、メインインジェクタ２１からは、当該内燃機関１を運転する際の主たる燃料となる水素を燃焼室１０内に噴射し、サブインジェクタ２２からは、水素よりもセタン価が高く、自着火し易い軽油を噴射する。また、サブ燃料噴射手順では、メイン燃料噴射手順でメインインジェクタ２１から水素を噴射する直前にサブインジェクタ２２から軽油を噴射する。このため、水素の噴射直前に軽油が燃焼室１０内で拡散燃焼するので、水素を噴射する際には、圧縮端は水素が自着火するのに十分な温度まで燃焼室１０内の温度が上昇する。これにより、軽油の噴射直後に燃焼室１０内に噴射された水素は自着火し、水素は拡散燃焼する。従って、メイン燃料に水素など自着火し難い燃料を使用した場合でも、メイン燃料に自着火させ、拡散燃焼をさせることができる。この結果、自着火し難い燃料を、より確実に着火させることができる。

また、このように自着火し難い燃料を、より確実に着火させることができるので、燃焼時には大気汚染に影響のある物質をあまり排出しないが、自着火し難い燃料を、内燃機関１を運転する際のメイン燃料として使用できる。例えば、上述したように、メイン燃料に、燃焼時にＨＣを排出しない水素を用いることができる。また、メイン燃料として水素を使用し、サブ燃料となる軽油の噴射量を水素の噴射量の数％にした場合には、軽油を使用したことによるエミッションの影響はほぼ０に等しくなる。このため、ＨＣの排出量をほぼ０にすることができる。これらの結果、内燃機関１運転時のエミッションの改善を図ることができる。

また、水素、軽油ともに空気を圧縮した燃焼室１０内に噴射され、拡散燃焼で燃焼するので、例えばガソリンエンジンなどのように、予混合火花点火を行う際の問題であるノッキングやプレイグニッションが生じることがなく、容易に燃焼コントロールを行うことができる。また、拡散燃焼では圧縮行程では空気のみを圧縮するので、圧縮行程中の比熱比を向上させることができ、熱効率を向上させることができる。

また、前記内燃機関１は、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の開閉タイミングがクランクシャフトの回転数に応じて変更できるように設けられているため、回転数に応じて適切な開閉タイミングにすることができる。これにより、始動時に始動デコンプを行ったり、運転効率を向上させたりすることができるが、このように開閉タイミングを変更すると、燃焼室１０内に取り入れられた空気の実質的な圧縮比が変化する。このように、圧縮比が変化すると、圧縮端温度も変化するが、当該内燃機関１は、制御部３０に圧縮端温度検出部３１と圧縮端温度判断部３２と軽油噴射量調整部３５とを設けている。これにより、圧縮端温度検出手順で圧縮端温度を随時検出し、圧縮端温度判断手順で、圧縮端温度が、水素が自着火するのに十分な温度であるかを判断することができる。

さらに、圧縮端温度が、水素が自着火するのに十分な温度であると圧縮端温度判断手順で判断された場合には、サブ燃料噴射量減量手順で、サブインジェクタ２２で噴射する軽油の量を減らすことができる。軽油は、燃焼した際に、大気汚染に影響のある物質を排出することがあるが、この軽油の噴射量を減らすことにより、大気汚染に影響のある物質の排出量を、より低減することができる。この結果、より確実にエミッションの改善を図ることができる。また、軽油の噴射量を低減できるので軽油の消費量が低減し、前記軽油タンクの容積を小さくできるので軽油タンクの軽量化を図ることができる。

また、前記制御部３０には、水素着火状態検出部３３と、水素着火不良判断部３４とを設けている。これにより、メイン燃料着火状態検出手順で水素の着火状態を検出し、メイン燃料着火不良判断手順で燃焼室１０内の水素の着火不良が発生していると判断することができる。さらに、燃焼室１０内の水素の着火不良があると、メイン燃料着火不良判断手順で判断された場合には、サブ燃料噴射量増量手順で、サブインジェクタ２２で噴射する軽油の量を増やすことができる。これにより、水素は着火し易くなるため、水素など自着火し難い燃料をメイン燃料として使用した場合に、着火不良を低減することができる。この結果、自着火し難い燃料を、より確実に着火させることができる。

なお、上述した内燃機関１では、セタン価が高いサブ燃料である軽油は、セタン価が低いメイン燃料である水素の噴射前に燃焼室１０内に噴射して水素を着火させるための着火材として用いられているが、軽油は着火材以外の用途で使用してもよい。図４は、実施例に係る内燃機関の変形例における説明図である。前記内燃機関１では、軽油は水素を着火させるための着火材として用いられているため、軽油の噴射量は水素の噴射量の数％であるが、軽油は水素の着火用以外にも使用し、軽油の噴射量は必要に応じて変化させてもよい。例えば、当該内燃機関１を高回転高負荷の領域で使用する場合には、当該内燃機関１での必要な出力に対して水素の噴射量が不足する場合がある。特に、水素のような気体燃料の場合は密度が低いため、高回転高負荷時には必要な出力に対して噴射量が不足し易い。このように、水素の噴射量が不足する領域では、軽油の噴射量を増量し、水素の噴射量の不足分を軽油で補ってもよい。

例えば、図４に示すように、負荷が小さい領域では軽油は着火材としてのみ使用するため、負荷が小さい領域では負荷の増減に関わらず少量の軽油を噴射し、負荷が大きい領域に入り水素の噴射量が不足し始めたら、軽油の噴射量を増大してもよい。即ち、負荷に対する水素の噴射量を示す線である水素噴射量線６１は、負荷が増大するに従って噴射量が増大し、負荷に対する軽油の噴射量を示す線である軽油噴射量線６２は、低負荷領域では負荷が増大しても噴射量は一定で、高負荷領域になると負荷の増大に伴って噴射量が増大する。これにより、高回転高負荷時に不足する水素の不足分を、軽油で補うことができる。この結果、高回転高負荷など水素の噴射量が不足する状態においても、内燃機関１を運転することができる。また、高回転高負荷時における水素の噴射量に合わせてメインインジェクタ２１を設定した場合には、低回転で負荷が小さい場合、即ち、水素の噴射量が小さい場合に、噴射量の制御が困難になる。このため、低負荷から中負荷にかけての水素の噴射量が制御し易い大きさでメインインジェクタ２１を設定し、高回転高負荷時には軽油を噴射して水素の不足分を補うことにより、低回転低負荷から高回転高負荷までのあらゆる領域における燃料噴射の制御を、より正確に行うことができる。この結果、全ての領域において、より正確な運転が可能になる。

また、前記水素着火状態検出部３３は、筒内圧センサ４２で燃焼室１０の内圧を検出し、この燃焼室１０の内圧より水素の着火状態を検出しているが、水素の着火状態は、筒内圧センサ４２で検出する以外の方法で検出してもよい。例えば、メインインジェクタ２１で噴射した水素の量に対する当該内燃機関１の出力のマップを予め用意しておき、メインインジェクタ２１の噴射量と、運転時の実際の出力とを比較して水素の着火状態を検出してもよい。水素の着火状態の検出は、水素の着火状態を検出でき、その状態を水素着火不良判断部３４に伝達することにより水素着火不良判断部３４で水素の着火不良を判断できればよい。

また、前記内燃機関１は、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の開閉タイミングが回転数に応じて変化することにより、実圧縮比を変化させているが、その他の機構によって圧縮比を変化させる構造であってもよい。圧縮比を変化させる構造がどのような構造であっても、圧縮比を変化させることによって圧縮端温度は変化するので、その変化に応じて軽油の噴射量を増減させることにより、自着火し難い燃料を、より確実に着火させることができ、且つ、エミッションの改善を図ることができる。

また、前記内燃機関１には、圧縮比が変化する機構が設けられているが、圧縮比が変化する機構は設けられておらず、圧縮比は固定であってもよい。圧縮比が固定の場合でも、吸気温度の変化などに応じて圧縮端温度は変化する場合があるので、この圧縮端温度の変化に応じて軽油の噴射量を増減させることにより、自着火し難い燃料を、より確実に着火させることができ、且つ、エミッションの改善を図ることができる。

また、上述した内燃機関１で使用する燃料のうち、メイン燃料は水素が用いられ、サブ燃料は軽油が用いられているが、それぞれの燃料は、これら以外でもよい。例えば、メイン燃料は、水素以外にメタン、ＣＮＧ、プロパンなどを用いてもよい。この場合、サブ燃料は、メイン燃料のセタン価よりもセタン価が高い燃料を用いる。また、各燃料の噴射タイミングは上述したタイミング以外のタイミングでもよく、メイン燃料の噴射直前にサブ燃料を噴射すれば、上述したタイミング以外で噴射してもよい。従って、サブ燃料は、メイン燃料のセタン価よりもセタン価が高い燃料を使用し、メイン燃料の噴射直前にサブ燃料を噴射することにより、セタン価が低く、自着火し難い燃料をメイン燃料として使用した場合でも、より確実に着火させることができる。

以上のように、本発明にかかる内燃機関及び内燃機関の制御方法は、拡散燃焼を行う内燃機関に有用であり、特に、セタン価の低い燃料を使用する内燃機関に適している。

本発明の実施例に係る内燃機関の構成を示す概略図である。 燃料の噴射タイミングを示す図である。 実施例に係る内燃機関の制御方法のフロー図である。 実施例に係る内燃機関の変形例における説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関
５ シリンダブロック
６ シリンダヘッド
７ ピストン
１０ 燃焼室
１１ 吸気バルブ
１２ 排気バルブ
１３ 吸気通路
１４ 排気通路
２１ メインインジェクタ
２２ サブインジェクタ
３０ 制御部
３１ 圧縮端温度検出部
３２ 圧縮端温度判断部
３３ 水素着火状態検出部
３４ 水素着火不良判断部
３５ 軽油噴射量調整部
３６ 水素噴射量調整部
４１ 吸気温センサ
４２ 筒内圧センサ
５０ 筒内圧線
５１ 水素噴射タイミング線
５２ 軽油噴射タイミング線

Claims (5)

1. 拡散燃焼式の内燃機関であって、
   拡散燃焼をする複数の燃料のうちの主たる前記燃料であるメイン燃料を燃焼室内に噴射するメイン燃料噴射手段と、
   前記複数の燃料のうち前記メイン燃料よりもセタン価の高い前記燃料であるサブ燃料を、前記メイン燃料噴射手段による前記メイン燃料の噴射の直前に前記燃焼室内に噴射するサブ燃料噴射手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記燃焼室内の圧縮端温度を検出する圧縮端温度検出部と、
   前記圧縮端温度検出部で検出した前記圧縮端温度が所定値以上であるか否かを判断する圧縮端温度判断部と、
   前記圧縮端温度判断部で前記圧縮端温度が所定値以上であると判断した場合には、前記サブ燃料噴射手段で前記燃焼室内に噴射する前記サブ燃料の噴射量を減量するサブ燃料噴射量調整部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃焼室内での前記メイン燃料の着火状態を検出するメイン燃料着火状態検出部と、
   前記メイン燃料着火状態検出部で検出した前記メイン燃料の着火状態より前記メイン燃料の着火不良があるか否かを判断するメイン燃料着火不良判断部と、
   を備えており、
   前記サブ燃料噴射量調整部は、前記メイン燃料着火不良判断部が前記メイン燃料の着火不良があると判断した場合に、前記サブ燃料噴射手段で前記燃焼室内に噴射する前記サブ燃料の噴射量を増量することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記サブ燃料噴射手段は、前記メイン燃料噴射手段による前記燃焼室内への前記メイン燃料の噴射量が不足する際に前記燃焼室内に前記サブ燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 燃焼室内に噴射する複数の燃料のうちの主たる前記燃料であるメイン燃料よりもセタン価が高い前記燃料であるサブ燃料を前記燃焼室内に噴射するサブ燃料噴射手順と、
   前記サブ燃料噴射手順での前記燃焼室内への前記サブ燃料の噴射直後に前記メイン燃料を前記燃焼室内へ噴射するメイン燃料噴射手順と、
   を含むことを特徴とする内燃機関の制御方法。
   

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