JP2007024009A

JP2007024009A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2007024009A
Application number: JP2005211684A
Authority: JP
Inventors: Akio Suzuki; 昭雄鈴木; Yoshito Sakurai; 嘉人桜井
Original assignee: JOMO TECHNICAL RES CT CO Ltd; JOMO TECHNICAL RESEARCH CENTER CO Ltd; Petroleum Energy Center PEC
Current assignee: JOMO TECHNICAL RES CT CO Ltd; JOMO TECHNICAL RESEARCH CENTER CO Ltd; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】ガソリンと水素を用いる内燃機関の燃焼効率を高め、規制排出ガスを低減化する。
【解決手段】ガソリンは燃料ポンプＣを有する燃料噴射装置によってエンジンＢの燃焼室内に直接供給され、水素はガス燃料噴射装置によって吸気系ＤからエンジンＢに供給される。制御手段は、エンジンの運転状態が高負荷では燃料ガスの割合を２〜２５％とし、中負荷では同じく燃料ガスを２５〜７５％とし、低負荷では同じく燃料ガスを７５〜９８％とする。また、制御手段は、機関の燃費と排出ガス中の規制対象物質の濃度との均衡が最適となるように、ガソリンの成層燃焼と均質燃焼を切り替えて制御できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体燃料であるガソリンと水素を主成分とした燃料ガスの２種類の燃料を使用し（バイフューエル）、燃焼効率に優れた内燃機関に関するものである。

京都議定書批准によるＣＯ₂排出量削減目標や、２０１０年から強化される自動車の燃費規制により、自動車の燃費向上が社会的に求められている。その中でもとりわけ燃焼効率の低いガソリン自動車に対する燃費向上は緊急の課題であり、その燃費向上策に期待が寄せられている。

ガソリン自動車は、運転性（静粛性、エンジンの振動騒音）や排出ガスのクリーン度において優れているが、燃費がディーゼル自動車よりも悪いという欠点がある。そのため、ガソリン車の燃費向上が求められており、多くの燃費向上対策が検討されている。例えばガソリンハイブリッド車では高い燃費を実現できているが車両価格が高い等の課題が残る。また、燃費の良い燃焼方式として直噴ガソリン自動車が市販されているが、更なる燃費の向上が期待されている。

また、燃焼効率が高いエンジンとして水素エンジンが研究されており、燃焼速度が速く、超希薄燃焼が可能、希薄混合気でも安定着火が可能、燃焼変動が小さいことが報告されている（非特許文献１参照）。さらに、武蔵工業大学では１９７４年に水素自動車を製作し公道にて試験走行を行なっている（非特許文献２参照）。しかし、水素エンジン自動車には、燃料を供給する水素スタンドの普及が充分でないこと、また、水素エンジンが高負荷域では過早着火や逆火の異常燃焼があるため出力及び運転条件が制約される欠点がある。

そこで、ガソリンエンジンの更なる効率向上のためガソリンと水素を吸気管にて供給・混合し燃焼室内にて同時に燃焼させる燃焼方式が検討され高い熱効率が得られることが報告されている（非特許文献３〜５参照）。

また、近年では、液体燃料とガス燃料を燃焼室内に直接噴射する方法（特許文献１参照）や、液体燃料を吸気管から、ガス燃料を吸気管及び燃焼室内に直接噴射する方法（特許文献２参照）が公開されている。さらに、燃料ガスに水素を、液体燃料にガソリンまたは軽油を用いた方法（特許文献３参照）も開示されている。
石山拓二、塩路昌宏、エネルギー・資源 vol.21 No.1 (2000) P62-67 中島泰夫、化学、Vol. 54 No.6 (1999) P41-42 Li Jing-ding, Lu Ying-qing, Du Tian-shen, Hydrogen Energy Progress V, Vol.4 (1984) P1579-1593 H. May, U. Hattingen, B. Luxenburger, D. Gwinner, E. Holl, Hydrogen Energy Progress V, Vol.4 (1984) P1607-1619 Y. Hacohen, E.Sher, Intersoc. Energy Convers. Eng. Cont, Vol.24 No.5 (1989) P2485-2490 特開２００４−２３９１２３号公報特開２００４−３４６８４１号公報特開２００３−２９３８０９号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の各発明は、燃料ガスに天然ガスを用いた例であり、燃焼速度が速く、超希薄燃焼が可能な水素を有効に利用するものではなく、必ずしも高い効率が期待できない。また、特許文献３に記載の発明は、燃料ガスに水素を、液体燃料にガソリンまたは軽油を用いたものではあるが、この方法では各燃料の供給方法が明確には開示されておらず、その２つの燃料の供給方法については非特許文献３〜５に記載の範囲を出ず、これら記載のエンジンと同等の効率向上しか期待できない。

そこで、本発明は、ガソリンと燃料ガス（例えば水素）を用いるとともに、これら２つの燃料の供給方法と制御方法に特徴を与え、従来よりも燃焼効率が高い内燃機関を提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、上記目的のもと鋭意開発研究に励んだ結果、超希薄燃焼が可能で燃焼効率に優れた水素または水素を主成分とする燃料ガスを吸気管から供給し、ガソリンを燃焼室内に直接噴射する燃焼方式によれば、これら２つの燃料を共に吸気管から供給する従来のバイフューエルエンジンよりも高い熱効率を持つエンジンシステムとなることを見出し、さらにその運転状態により第１の燃料であるガソリンと第２の燃料である燃料ガスを適当な比率で混合させること等により更なる燃費の向上が可能となるとの着想を得た。

すなわち、請求項１に記載された内燃機関は、ガソリンを燃焼室内に直接供給する第１の燃料供給手段と、燃料ガスを吸気管から供給する第２の燃料供給手段と、内燃機関の運転状態に基づいて第１および第２の燃料供給手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載された内燃機関は、請求項１記載の内燃機関において、前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態を表す負荷に基づいてガソリンと燃料ガスの混合比率の制御を行い、高負荷においては燃料ガスの割合を２〜２５％の範囲とし、中負荷においては燃料ガスの割合を２５〜７５％の範囲とし、低負荷においては燃料ガスの割合を７５〜９８％の範囲とすることを特徴としている。

請求項３に記載された内燃機関は、請求項２記載の内燃機関において、前記制御手段は、機関の燃費と排出ガス中の規制対象物質の濃度との均衡が最適となるように、前記内燃機関の圧縮行程において前記第１の燃料供給手段を作動させて行うガソリンの成層燃焼と、前記内燃機関の吸入行程において前記第１の燃料供給手段を作動させて行うガソリン均質燃焼とを、切り替えて制御することを特徴としている。

請求項４に記載された内燃機関は、請求項１乃至３に記載の内燃機関において、前記燃料ガスは水素を主成分としていることを特徴としている。

請求項５に記載された内燃機関は、請求項１乃至４に記載の内燃機関において、前記内燃機関の負荷領域をトルクの範囲で表すと、前記高負荷は機関の最大トルクの７０％以上であり、前記中負荷は機関の最大トルクの４０〜７０％であり、前記低負荷は機関の最大トルクの４０％以下であることを特徴としている。

本発明によれば、水素または水素を主成分とする燃料ガスをガソリンと混合して燃焼させることにより、水素を主成分とする燃料ガスの特徴である超希薄燃焼が可能となり、燃焼速度が速くなり、最適な点火時期が選択できることにより、ガソリンのみを燃料とした場合に比べて機関の燃費を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。なお、本発明はこれらの例により何ら制限されるものではない。
１．本実施形態の概略（図１乃至図３）
図１は、本実施形態（本例）に係る内燃機関の構成の概略を模式的に示したものである。この内燃機関は、燃料タンクＡ内のガソリンをエンジンＢ（内燃機関本体）の燃焼室内に直接供給する第１の燃料供給手段として燃料ポンプＣを備えた燃料噴射装置を有している。また、この内燃機関は、エンジンＢの燃焼室に空気を供給する吸気系Ｄである吸気管に対し、燃料ガス（水素、ＣＯ等）を供給する第２の燃料供給手段として図示しないガス噴射装置を備えている。ガス噴射装置は、ガス備蓄手段Ｅに接続されているが、このガス備蓄手段Ｅとしては、圧縮方式、液化方式、改質方式等、特に方式に制限はない。

本例の内燃機関は、上述のようにガソリンを燃焼室内に直接供給し、燃料ガスを吸気管から供給するという２種類の燃料の互いに異なる供給構造を前提とし、さらに、この内燃機関の運転状態に基づいて制御手段（図１には図示せず）が両燃料の供給状態を自在に制御することによって燃費を改善し、また排出ガスの浄化をより高いレベルで達成しようとするものである。

まず、本例の内燃機関は、内燃機関の負荷に基づいてガソリンと燃料ガスの混合比率を最適に切り替える制御を行う。その制御の特徴は、以下のような本発明者の認識及び後述する実験データから得られたものである。まず、水素のような燃料ガスによる内燃機関（例えば水素エンジン）では、低負荷において超希薄燃焼が可能でありノッキングが起きにくく燃焼変動が少ない長所があるが、高負荷においては逆火・早期着火が発生しやすく最大出力が低いという問題がある。他方、ガソリン機関は、排出ガスの清浄性や運転性は優れているが効率面で劣るという特徴がある。そこで、本例では、高負荷においては燃料ガスの割合を２〜２５％の範囲とし、中負荷においては燃料ガスの割合を２５〜７５％の範囲とし、低負荷においては燃料ガスの割合を７５〜９８％の範囲とする制御を行うこととした。

本例では、機関の各回転数及び各負荷領域に対応して燃料ガスとガソリンの混合比率が前記所定の値となるように、燃料噴射装置とガス噴射装置を作動させるための制御データを制御手段に記憶させておく。そして、制御手段は、機関に設けたセンサ類から機関の負荷を検出し、その負荷範囲に対応した制御データを読み出して燃料噴射装置とガス噴射装置を作動させ、燃料ガスとガソリンの混合比率を予め定められた最適な比率として機関を駆動する。
このような制御手段による制御によれば、燃費が著しく改善される。

また、本例の内燃機関は、機関の燃費と排出ガス中の規制対象物質の濃度との均衡が最適となるように、内燃機関の圧縮行程中にガソリンを噴射して燃焼させる成層燃焼と、内燃機関の吸入行程にガソリンを噴射して燃焼させる均質燃焼とを、適宜に切り替えて制御することとした。

ここで、液体燃料の均質燃焼とは、図２（ａ）に示すように、機関の吸入行程において燃料噴射装置１でガソリンを燃焼室２内に直接噴射することであり、本例ではガス燃料噴射装置３によってガス燃料も同時期に噴射する。同図（ｂ）に示す圧縮行程を経て、同図（ｃ）に示す点火プラグ４による点火時にはガソリンと燃料ガスと空気は均一に混合している。

また、液体燃料の成層燃焼とは、図３（ａ）に示すように、機関の吸入行程において燃料噴射装置１からガソリンは噴射せず、ガス燃料噴射装置３によってガス燃料を噴射し、同図（ｂ）に示す圧縮行程において燃料噴射装置１からガソリンを噴射し、これによって、同図（ｃ）に示す点火時にはガス燃料と空気は均一に混合しているが、ガソリンはこれらに均一に混合せず、点火プラグ４の周囲が液体燃料濃度の高い状態となる。

そこで、本例の制御手段によれば、機関を燃費及び排出ガスの両面において最適の条件で駆動できるように、特徴の異なる均質燃焼と成層燃焼を適宜に組み合わせている。

本例では、燃費と排出ガスの状態のバランスを評価しながら、トルクと回転数の関係を表す領域を成層燃焼の領域と均質燃焼の領域とに分け、上記いずれの燃焼方式を採るかを定めて制御データとした。この制御データは、燃焼方式の切り替えのためにガソリンの噴射時期を変更するのに必要なデータであり、走行時の回転数やトルク等に対応させて制御手段の記憶装置に格納しておき、走行中に所定の回転数やトルクになった場合にガソリンの噴射時期を変更して燃焼方式を切り替えることができる。

内燃機関からの排出ガスをどの程度に制御すべきかは、内燃機関において採用する後処理触媒の種類及びその浄化力等によっても異なってくる。よって、採用する後処理触媒の種類等も考慮して前記制御データの最適化を行うことにより、制御の自由度は一層高まることとなる。

このような制御手段による制御によれば、燃費の改善と排出ガスの浄化がより高いレベルで同時に達成される。
以下、本例について実験によるデータを加えてより詳細に説明する。

２．本実施形態における実験の実施条件及び評価方法等
（１）燃料の種類及び供給手段
本例に用いられるガソリンは、日本工業規格（ＪＩＳ）に定められた自動車ガソリン（ＪＩＳＫ２２０２）であり、硫黄分１０ｐｐｍ以下が望ましく、さらに３ｐｐｍ以下が望ましく、さらに１ｐｐｍ以下が望ましい。

本例に用いられる燃料ガスは水素単体または主成分として水素を５０％以上含む燃料ガスが望ましく、主成分である水素以外の燃料成分として、一酸化炭素、ガス化した炭化水素が含まれていても構わない。さらに、燃料ガスに不燃性の二酸化炭素、窒素、さらに助燃ガスの酸素が含まれていても構わない。

本例に用いられる燃料ガスの供給方式は、圧縮ボンベ、液化タンク、吸蔵合金により備蓄されたガスを供給する方式でもよいし、車上ガソリン改質器により製造した改質ガスを供給する方式でもよく、さらに有機ハイドライド変換器より生成したガスを供給する方式でも構わない。

本例に用いられる燃料ガス噴射装置は、インジェクター方式が望ましいが、ミキサー方式でもかまわない。

（２）実験に供した内燃機関（エンジン）
実験は表１に示すエンジンにて実施した。本エンジンは市販の直噴ガソリンエンジンを単気筒エンジンに改造し、その後市販のＣＮＧ車用ガス燃料インジェクターを吸気管にとりつけたものである。

（３）実験条件
実施例である本例エンジンシステムのエンジン実験条件を表２に、また比較例であるイソオクタンのエンジン実験条件を表３に、それぞれ示す。

（４）図示熱効率の算出
燃焼室に取り付けた圧力センサ（Quartz Pressure Transducer QH32D: AVL 社製）により測定した圧力信号を増幅器（Dual Mode Amplifier Type 5010: Kistler社製）により増幅した後パソコンに入力した。併せてエンジン回転をロータリーエンコーダー（CP-5200:小野測器社製）にて測定し増幅器（CA-500A:小野測器社製）にて増幅した後、パソコンに入力した。また、液体燃料の流量を燃料流量計（FP-2140H: 小野測器社製）にて測定し、また、ガス燃料の流量はマスフローメーター（5113A ：大倉理研社製）にて制御し、発熱量を算出しパソコンに入力した。その後、燃焼解析ソフト（DS-0928:小野測器社製）を用いて、図示平均有効圧力、図示熱効率を算出した。

（５）排出ガス分析
排出ガス（ＴＨＣ、ＮＯｘ）の分析は、エンジンの排気管から分岐し直接導入して排出ガス分析計（MEXA-7100 ：堀場製作所社製）にて測定した。

３．図示熱効率について（図４〜図６）
図示熱効率について、液体燃料にイソオクタン、燃料ガスに水素を用い、液体燃料供給を均質方式で行った例を図４及び表４〜７に示す。

同様に成層方式で行った例を図５及び表８〜１１に示す。

また液体燃料のみ（イソオクタン）を供給した結果をこれらとの比較例として図６に示す。

図６の液体燃料のみの比較例の場合、図示熱効率は２５〜３５％であるが、本例のエンジンシステムである図４及び図５では３０〜４０％と図示熱効率が向上していることがわかる。また、同一の出力（図示平均有効圧）において９００ｋＰａ以下の範囲では、本例の方式が図示熱効率は高いことがわかる。図４の均質方式と図５の成層方式によれば、低い出力まで運転が可能である。また、図示平均有効圧４００〜８００ｋＰａの範囲では、成層方式（図５）の方が良い。また均質方式（図４）は高い出力まで運転可能である。

４．排出ガス成分について（図７〜図１２）
（１）ＴＨＣ（Total Hydro Carbon）について
エンジンから排出されたＴＨＣについて、液体燃料にイソオクタン、燃料ガスに水素を用い、液体燃料供給を均質方式で行った例を図７に示し、同成層方式で行った例を図８に示す。また液体燃料のみ（イソオクタン）を供給した結果を比較例として図９に示す。

図９の液体燃料のみの比較例の場合、ＴＨＣは２０００ｐｐｍ以上であるが、本例のエンジンシステムである図７及び図８では図示平均有効圧が７００ｋＰａ以下の範囲にてＴＨＣは２０００ｐｐｍ以下となった。図７の均質方式と図８の成層方式を比較すると、均質方式（図７）の方がＴＨＣは低くなっている。

（２）ＮＯｘについて
エンジンから排出されたＮＯｘについて、液体燃料にイソオクタン、燃料ガスに水素を用い、液体燃料供給を均質方式で行った例を図１０に示し、同成層方式で行った例を図１１に示す。また液体燃料のみ（イソオクタン）を供給した結果を比較例として図１２に示す。

ここで、本排出ガス分析計の測定範囲は５０００ｐｐｍ以下であり、図１０〜図１２の縦軸５０００ｐｐｍは５０００ｐｐｍ以上を示す。図１２の液体燃料のみの比較例の場合、図示平均有効圧２００ｋＰａ以上にてＮＯｘは１０００ｐｐｍ以上であるが、本例のエンジンシステムである図１０の均質方式では６００ｋＰａまで、図１１の成層方式では４００ｋＰａ以下までＮＯｘは１０００ｐｐｍ以下であった。図１０の均質方式と図１１の成層方式を比較すると、均質方式（図１０）の方がＮＯｘは低い傾向にあり、特に均質方式では５００ｋＰａ以下で５０ｐｐｍ以下と極めて低かった。

５．機関負荷とガソリン・水素の混合比率との関係について（図１３〜図１５）
機関負荷とガソリン・水素の混合比率との関係について説明するが、ここで負荷は一般に内燃機関のトルクの範囲で表すものとし、低負荷は機関の最大トルクの４０％以下であり、中負荷は機関の最大トルクの４０〜７０％であり、高負荷は機関の最大トルクの７０％以上とした。また、上記負荷の各範囲を表１で示した単気筒の内燃機関のトルクで具体的に例示すれば、低負荷は２．０ｋｇｍ未満であり、中負荷は２．０〜３．５ｋｇｍであり、高負荷は３．５ｋｇｍ以上となる。

熱量ベースで燃料中に占める水素添加割合と図示熱効率との関係を、上記の区分による各負荷領域ごとに、また均質燃焼と成層燃焼の各場合ごとに、実験した結果を図１３〜図１５に示す。

図１３に示す低負荷の場合では、水素（燃料ガス）の割合は７５〜９８％の範囲が好ましい。水素の割合が低くなると燃焼不良により失火が発生する。

図１４に示す中負荷の範囲ては、水素（燃料ガス）の割合は２５〜７５％の範囲が好ましい。水素割合が低くなりすぎると燃焼速度低下による熱効率の低下をもたらし、また、水素割合が高くなりすぎると、燃焼速度増大による熱損失増加により熱効率低下をもたらす。

図１５に示す高負荷の範囲ては、水素（燃料ガス）の割合は２〜２５％の範囲とすることが好ましい。水素割合が高いと燃焼速度増大による熱損失増加により熱効率低下をもたらす。

本例によれば、機関の負荷を検出して高中低のいずれの範囲にあるかを判断し、これに対応するガソリン・水素の混合比率で燃料を自動的に供給するようにして高い熱効率を維持することができる。

６．成層燃焼と均質燃焼の切換えについて
本例では、液体燃料の供給方式は、燃焼室内の燃料濃度を不均一になるよう供給して燃焼させる成層方式と、燃料を燃焼室内に均一になるよう供給して燃焼させる均質方式の２つの方式を採用する。成層方式は熱効率が高い傾向にあり、また、均質方式は排出ガスが含有する規制物質が低い傾向にあるため、これら両燃焼方式の特徴を考慮しつつ、前述したように運転条件や排出ガス対策を考えて自動的に燃焼方式を切り替えて運転できるようにしている。
なお、低負荷においては排出ガス中の規制対象成分であるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの濃度は非常に小さいが、中負荷以上の領域ではエンジンからのＮＯｘの排出が高くなるため、燃焼方式の切換えによる燃費と排出ガスの対策に加え、吸蔵ＮＯｘ触媒を用いてＮＯｘを除去する構成とすればさらに好ましい。

７．制御手段のさらに具体的な構成について（図１６）
さて、「１．本実施形態の概略」で説明したように、本例における制御手段は、「５．機関負荷とガソリン・水素の混合比率との関係について」に記載した制御と、「６．成層燃焼と均質燃焼の切換えについて」で説明した制御を、運転中に自動的に行うように構成されている。かかる制御手段及びこれに付随するセンサ等の本例におけるさらに具体的な構成を図１６を参照して説明する。

図１６に示すように、本例の制御手段はＥＣＵ５（エンジンコントロールユニット）である。また、本例の機関の各所には、上述したような制御に有用な機関の状態等に関する情報をＥＣＵ５に提供するためのセンサ類が設けられており、またＥＣＵ５はこれらのセンサ類からの信号で得た情報と自らが予め保有する制御データや制御プログラムに基づき、機関に設けられた機器類を制御する信号を生成・出力する。

まず、ＥＣＵ５に信号を送り込む前記センサ類について説明する。
まず、機関の排気管６に設けられた排出ガス浄化触媒７には、触媒温度センサ８が設けられ、ＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。また、排出ガス浄化触媒７の手前の排気管６内には、排出ガス中に含まれる酸素を検出するＯ₂センサ９が設けられ、ＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。

また、機関の燃焼室２に相当する気筒の外壁には、ノックセンサ１０が設けられ、ＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。また、機関の燃焼室２に相当する気筒のジャケット外壁には、水温センサ１１が設けられ、ＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。

また、吸気管１２には燃料供給手段としてのガス燃料噴射装置３が設けられ、燃料ガスのボンベ１３と供給管１４によって連結されている。この供給管１４には、吸気管１２に供給される燃料ガスの圧力を検知するガス圧力センサ１５が設けられ、ＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。

また、吸気管１２において、前記ガス燃料噴射装置３の上流には、スロットルボディー１６が設けられており、このスロットルボディー１６には空気の流量を検出するエアフロメータ１７が設けられ、ＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。また、このスロットルボディー１６には流れる空気の流量を調整するスロットルの設定位置を検出するスロットルポジションセンサ１８が設けられ、ＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。

また、燃焼室２には燃料供給手段として燃料ポンプを備えた燃料噴射装置１が設けられ、燃料タンク１９と燃料管２０によって連結されている。この燃料管２０には、燃焼室２に直接噴射供給される燃料（ガソリン）の圧力を検知する燃料圧力センサ２１が設けられ、ＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。

また、アクセルペダル２２には、アクセルペダル２２の踏み込み量に応じたアクセルポジションを検出するアクセルポジションセンサ２３が設けられており、ＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。

また、機関のクランクシャフト２４には、クランクシャフト２４の回転角度を検出するクランク角センサ２５が設けられており、クランク角に関する信号とエンジン回転数に関するデータの双方をＥＣＵ５に信号を入力できるように接続されている。

次に、ＥＣＵ５の制御対象である機関の各部について説明する。
ＥＣＵ５は前記センサ類からの信号で得た情報と自らが予め保有する制御データや制御プログラムに基づき、機関に設けられた燃料噴射装置１を制御する燃料噴射信号を出力する。また、ＥＣＵ５は、同様に、ガス燃料噴射装置３を制御するガス噴射信号を出力する。また、ＥＣＵ５は、同様に、吸気管１２内の空気の流量を制御するスロットルの位置を設定するため、スロットルボディー１６にスロットル制御信号を出力する。また、ＥＣＵ５は、同様に、吸気管１２内の気体のスワールを制御するため、スワールコントロールバルブ２６にスワールコントロールバルブ制御信号を出力する。そして、ＥＣＵ５は、同様に、点火プラグ４に所定のタイミングで点火信号を出力する。

以上の制御手段であるＥＣＵ５及びその周辺の構成によれば、機関の負荷を直接検出するセンサはないが、クランク角センサ２５により検出したエンジン回転数と、燃料噴射装置１及びガス燃料噴射装置３による燃料の噴射量とから、現在の負荷を判断できる。また、アクセルポジションセンサ２３からの信号によって要求される新たな負荷は、現在の負荷との差に相当するだけの燃料噴射を行うことにより、必要な負荷の変動として実現することができる。

ガス燃料噴射装置３が噴射するガス燃料（水素）の圧力は一定であり、ガス燃料噴射装置３の噴射ノズルの開弁時間によりガス噴射量を制御する。燃料噴射装置１が噴射するガソリンの圧力は一定であり、燃料噴射装置１の噴射ノズルの開弁時間によりガソリン噴射量を制御する。これによって、ガソリンと水素の混合比率を負荷に対応して調整する制御を行うことができる。

なお、水素は燃焼の伝播性が良いので、水素の混合割合が多い低負荷においては、それ以外の場合に比べて燃焼の立ち上がりが遅くなるように、点火プラグ４に点火信号を送るタイミングを遅くして点火時期を遅らせる制御を行う必要がある。

また、成層燃焼と均質燃焼の切り替えは、燃料噴射装置１に燃料噴射信号を与えるタイミングを変化させることにより行う。すなわち、燃焼方式の切り替えに関する制御データは、燃料噴射信号の出力タイミングに関するデータとしてＥＣＵ５の記憶手段に記憶されている。すなわち、燃料を噴射してから点火するまでの時間によって燃焼室２内における燃料の分散性に変化が生じ、その結果として成層燃焼と均質燃焼の選択ができる。

点火プラグ４に点火信号を与える点火時期は、最も効率の良い時期とするが、ノッキングが発生してノックセンサ１０から信号が検出された場合には、これが発生しなくなるまで点火時期を遅らせる。

以上説明したように、本例の内燃機関によれば、水素または水素を主成分とする燃料ガスをガソリンと混合して燃焼させる燃焼形態において、特にガソリンを燃焼室２内に直接供給するとともに燃料ガスを吸気管１２から供給することとし、さらに、前記内燃機関の運転状態を表す負荷に基づいてガソリンと燃料ガスの混合比率の制御を行い、燃料ガスの混合比率を高負荷においては低く、低負荷においては高くなるように制御するので、水素を主成分とする燃料ガスの特徴である超希薄燃焼が可能となり、燃焼速度が速くなり、最適な点火時期を選択することにより、ガソリンのみを燃料とした場合に比べて機関の燃費を改善することができる。

本発明の実施形態である内燃機関の構成の概略を説明するための模式図である。本例の内燃機関における液体燃料の均質燃焼を機関の行程順に示す図である。本例の内燃機関における液体燃料の成層燃焼を機関の行程順に示す図である。本例の内燃機関を均質燃焼で駆動した際の図示熱効率と図示平均有効圧力との関係を示す図である。本例の内燃機関を成層燃焼で駆動した際の図示熱効率と図示平均有効圧力との関係を示す図である。本例の内燃機関と同等の構成である比較例の内燃機関を液体燃料のみで駆動した際の図示熱効率と図示平均有効圧力との関係を示す図である。本例の内燃機関を均質燃焼で駆動した際のＴＨＣの排出量と図示平均有効圧力との関係を示す図である。本例の内燃機関を成層燃焼で駆動した際のＴＨＣの排出量と図示平均有効圧力との関係を示す図である。本例の内燃機関と同等の構成である比較例の内燃機関を液体燃料のみで駆動した際のＴＨＣの排出量と図示平均有効圧力との関係を示す図である。本例の内燃機関を均質燃焼で駆動した際のＮＯｘの排出量と図示平均有効圧力との関係を示す図である。本例の内燃機関を成層燃焼で駆動した際のＮＯｘの排出量と図示平均有効圧力との関係を示す図である。本例の内燃機関と同等の構成である比較例の内燃機関を液体燃料のみで駆動した際のＮＯｘの排出量と図示平均有効圧力との関係を示す図である。本例の内燃機関を、低負荷において、均質燃焼又は成層燃焼で駆動した際の図示熱効率と熱量ベースでの水素添加率との関係を示す図である。本例の内燃機関を、中負荷において、均質燃焼又は成層燃焼で駆動した際の図示熱効率と熱量ベースでの水素添加率との関係を示す図である。本例の内燃機関を、高負荷において、均質燃焼又は成層燃焼で駆動した際の図示熱効率と熱量ベースでの水素添加率との関係を示す図である。本例の内燃機関の構成において特に制御系を詳細に示す図である。

符号の説明

１…第１の燃料供給手段としての燃料噴射装置
２…燃焼室
３…第２の燃料供給手段としてのガス燃料噴射装置
４…点火プラグ
５…制御手段としてのＥＣＵ
１２…吸気管

Claims

ガソリンを燃焼室内に直接供給する第１の燃料供給手段と、燃料ガスを吸気管から供給する第２の燃料供給手段と、内燃機関の運転状態に基づいて第１および第２の燃料供給手段を制御する制御手段を備えた内燃機関。
前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態を表す負荷に基づいてガソリンと燃料ガスの混合比率の制御を行い、高負荷においては燃料ガスの割合を２〜２５％の範囲とし、中負荷においては燃料ガスの割合を２５〜７５％の範囲とし、低負荷においては燃料ガスの割合を７５〜９８％の範囲とすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
前記制御手段は、機関の燃費と排出ガス中の規制対象物質の濃度との均衡が最適となるように、前記内燃機関の圧縮行程において前記第１の燃料供給手段を作動させて行うガソリンの成層燃焼と、前記内燃機関の吸入行程において前記第１の燃料供給手段を作動させて行うガソリン均質燃焼とを、切り替えて制御することを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
前記燃料ガスは水素を主成分としていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の内燃機関。
前記内燃機関の負荷領域をトルクの範囲で表すと、前記高負荷は機関の最大トルクの７０％以上であり、前記中負荷は機関の最大トルクの４０〜７０％であり、前記低負荷は機関の最大トルクの４０％以下である請求項１乃至４に記載の内燃機関。