JP2007239600A - 多種燃料エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】気体燃料と液体燃料とを使用する多種燃料エンジンにおいて、液体燃料の燃焼に伴う煤の発生を防止する。
【解決手段】気体燃料を噴射可能な気体燃料用インジェクタ６と、液体燃料を噴射可能な液体燃料用インジェクタ１１とを備えた多種燃料エンジン１において、前記液体燃料をＧＴＬ燃料とする。ＧＴＬ（Gas To Liquid）燃料は、天然ガスから合成する飽和炭化水素（パラフィン系炭化水素）を中心とする燃料で、無色無臭で硫黄分・アロマ分を含まず、高いセタン価を有し、既存のディーゼルエンジンに使用可能であるといった特徴を有する。このようなＧＴＬ燃料を液体燃料として用いるので、ＧＴＬ燃料の燃焼によって煤が発生することがなく、よって、煤発生に起因するスモークの問題を解消することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は多種燃料エンジンに係り、特に、気体燃料と液体燃料とのうちの少なくとも何れかを燃焼室内で燃焼させて動力を発生する多種燃料エンジンに関する。

圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）において、軽油に代わる代替燃料として圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等の気体燃料を使用することが知られている。一般にＣＮＧは軽油に比べて着火性が良くないため、着火をアシストするためにグロープラグなどの着火補助装置を用いることが多い。

ところで、このような着火補助装置を用いてエンジンを運転させるようにすると、着火補助装置が常時高い熱負荷を受けるようになるため、その耐久性が問題となる。

そこでこの着火補助装置に替えて、着火性に優れる液体燃料即ち従来燃料である軽油を用い、気体燃料に加えて軽油を少量噴射させることで、軽油を着火源とし、気体燃料への確実な着火を促進することが行われている。

なお、特許文献１には、気体燃料と液体燃料のいずれにも対応できる複合エンジンが開示されている。この複合エンジンは、火花点火式内燃機関として使用したり圧縮着火式内燃機関として使用したりすることができる。

特開平１１−３２４７５０号公報

しかしながら、軽油をたとえ少量噴射する場合であっても、軽油はアロマ分を含んでいるため、その性状によっては燃焼時に煤が発生する場合があり、これがスモーク発生の原因となる。

そこで本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、気体燃料と液体燃料とを使用する多種燃料エンジンにおいて、液体燃料の燃焼に伴う煤の発生を防止することにある。

上記目的を達成するため本発明の一形態は、気体燃料を噴射可能な気体燃料用インジェクタと、液体燃料を噴射可能な液体燃料用インジェクタとを備えた多種燃料エンジンにおいて、前記液体燃料をＧＴＬ燃料としたことを特徴とする。

ＧＴＬ（Gas To Liquid）燃料は、触媒を用いて天然ガスから合成する飽和炭化水素（パラフィン系炭化水素）を中心とする燃料で、無色無臭で硫黄分・アロマ分を含まず、高いセタン価を有し、既存のディーゼルエンジンに使用可能であるといった特徴を有する。また、排ガス中から一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物資といった有害物質を減少させる働きもあり、低エミッションの可能性を秘めた軽油の代替燃料として現在開発が進められている。

本発明の一形態によれば、このようなＧＴＬ燃料を液体燃料として用いるので、例えばＧＴＬ燃料を着火アシスト用に用いた場合でも、ＧＴＬ燃料の燃焼によって煤が発生することがない。よって、煤発生に起因するスモークの問題を解消することが可能になる。

ここで、好ましくは、前記液体燃料用インジェクタが前記液体燃料を筒内燃焼室の中心部に噴射可能であり、その噴射された前記液体燃料よりも前記筒内燃焼室の半径方向外側に、前記気体燃料用インジェクタが前記気体燃料を噴射可能である。

これによれば、気体燃料用インジェクタから噴射された気体燃料により、液体燃料用インジェクタから噴射された液体燃料（ＧＴＬ燃料）のシリンダ内壁への到達が妨げられる。これにより、その液体燃料がシリンダ内壁に付着しているオイルを希釈してしまうという、いわゆるボアフラッシングの問題が解消される。

好ましくは、前記液体燃料用インジェクタが１気筒当たりに一本設けられ、前記気体燃料用インジェクタが１気筒当たりに複数設けられる。

これにより、液体燃料用インジェクタから噴射された液体燃料は、そのシリンダ内壁への到達が複数方向から妨げられる。

また、前記液体燃料用インジェクタが前記液体燃料を筒内燃焼室に噴射可能であり、前記気体燃料用インジェクタが前記気体燃料を吸気通路内に噴射可能であるのも好ましい。

この場合、気体燃料用インジェクタが筒内燃焼室の高温に直接晒されることがなくなるので、気体燃料用インジェクタを耐熱性の高い構造とする必要が無くなり、その構造を簡単化しコストを低減できる。特に気体燃料用インジェクタの場合だと、燃料が気体であるため、液体燃料の場合に比べて潤滑や冷却が劣り、内部の摺動部で摩耗が生じやすい。かかる状況の下でさらに耐熱性を上げようとするとインジェクタは必然的に複雑、高コストとなる。この好ましい形態では、気体燃料用インジェクタの耐熱性が特に問題とならないので、結果的にインジェクタを単純且つ低コストな構造とすることが可能になる。

この場合、好ましくは、エンジンの始動開始からエンジン回転速度が所定値を超えるまでの間は、前記液体燃料用インジェクタのみが作動されて前記気体燃料用インジェクタが停止される。

気体燃料を吸気通路内に噴射するようにすると、気体燃料が筒内燃焼室内で空気と予混合化してから燃焼するようになるため、着火性の一層の悪化が懸念される。この好ましい形態によれば、エンジンの始動開始からエンジン回転速度が所定値を超えるまでの間は、液体燃料用インジェクタのみが作動されて気体燃料用インジェクタが停止され、着火性の良い液体燃料（ＧＴＬ燃料）のみが噴射される。よってエンジンを確実に始動させられ、始動不良を未然に防止することができる。

また、排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒と、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生処理を実行するために、リッチスパイク用の前記液体燃料を排気通路に噴射するリッチスパイク用インジェクタとをさらに備えるのが好ましい。

これによれば、リッチスパイク用の液体燃料によりＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生処理が可能となる。特に、リッチスパイク用の液体燃料もＧＴＬ燃料であることから、再生処理時においても排気エミッションの悪化が防止される。

ここで、前記液体燃料の残存量が所定量を超えているか否かを判定する判定手段と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生処理に際し、前記判定手段により、前記液体燃料の残存量が所定量を超えていると判定された場合、前記リッチスパイク用インジェクタから前記液体燃料を噴射させ、前記判定手段により、前記液体燃料の残存量が所定量を超えていないと判定された場合、前記気体燃料用インジェクタによりポスト噴射を実行させる噴射制御手段とをさらに備えるのが好ましい。

液体燃料を通常運転時に例えば着火アシスト用として用いる場合、液体燃料を常に一定量以上確保しておくのが望ましい。この構成によれば、液体燃料（ＧＴＬ燃料）の残存量が所定量を超えていないとき、液体燃料によるリッチスパイクが中止され、代わりに気体燃料によるポスト噴射が実行される。このように再生処理時の噴射形態が液体燃料の残存量に応じて切り替えられるので、液体燃料の残存量が少なくなったとき以降の液体燃料の消費を抑制し、通常のエンジンの運転を比較的長時間継続することが可能になる。

ここで、前記噴射制御手段は、前記リッチスパイク用インジェクタから前記液体燃料を噴射させるとき、その噴射量をエンジン運転状態に基づいて算出し、前記気体燃料用インジェクタによりポスト噴射を実行させるとき、その噴射量を、前記リッチスパイク用インジェクタから噴射される噴射量を換算して算出するのが好ましい。

また、多種燃料エンジンは、圧縮着火式内燃機関であってもよい。

本発明によれば、気体燃料と液体燃料とを使用する多種燃料エンジンにおいて、液体燃料の燃焼に伴う煤の発生を防止することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る多種燃料エンジンの第１実施形態を示す概略構成図である。同図に示される多種燃料エンジン１は、気体燃料と、ＧＴＬ燃料からなる液体燃料との一方又は両方を用いて運転される。本実施形態の場合、気体燃料は圧縮天然ガス（ＣＮＧ）であるが、ＬＰＧなどの他の気体燃料を用いても構わない。また、例えば２種類の気体燃料を用いるなどして、合計で３種類以上の燃料を用いてもよい。本実施形態の場合、気体燃料が主に動力源となる主燃料であり、ＧＴＬ燃料は着火アシストのための副燃料として使用される。この副燃料の存在によりグロープラグなどの着火補助装置が不要となる。

本実施形態における多種燃料エンジン１は、圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、図では１気筒のみが示されているが、多気筒エンジン、特に本実施形態では４気筒エンジンとして構成されている。エンジン１は＃１気筒，＃２気筒，＃３気筒，＃４気筒を備えている。各気筒において、シリンダブロック２およびシリンダヘッド３により画成された筒内燃焼室４にＣＮＧ（気体燃料）あるいはＧＴＬ燃料（液体燃料）が直接噴射され、筒内燃焼室４内で混合気が燃焼してピストン５を往復移動させる結果、動力が得られる。

筒内燃焼室４にＣＮＧを直接噴射するために、シリンダヘッド３には１気筒当たりに複数（本実施形態では二本）のガスインジェクタ（気体燃料用インジェクタ）６が設けられている。ガスインジェクタ６は、その噴孔が筒内燃焼室４に臨むように配置されている。ＣＮＧを貯留するガスボンベ（気体燃料容器）７には、ガス供給管（気体燃料供給路）８を介してガスデリバリ管９が接続されており、このガスデリバリ管９にガスインジェクタ６の燃料入口が接続されている。ガス供給管８には、ＣＮＧを濾過するためのガスフィルタ１０と、ＣＮＧの供給圧を調整するためのプレッシャレギュレータ１７とが配設されている。プレッシャレギュレータ１７には、ＣＮＧに含まれるオイルを分離するためのオイルセパレータ１４が装備される。ガスボンベ７の入口にはＣＮＧ充填口１６が接続される。

また、筒内燃焼室４にＧＴＬ燃料を直接噴射するために、シリンダヘッド３には１気筒当たりに所定数（本実施形態では一本）のＧＴＬインジェクタ（液体燃料用インジェクタ）１１が設けられている。ＧＴＬインジェクタ１１も、その噴孔が筒内燃焼室４に臨むように配置されている。ＧＴＬ燃料を貯留するＧＴＬタンク１２には、ＧＴＬ供給管（液体燃料供給路）１３を介して高圧燃料ポンプ１４が接続されており、この高圧燃料ポンプ１４にはＧＴＬインジェクタ１１の燃料入口が接続されている。ＧＴＬ供給管１３には図示しないフィードポンプが備えられており、このフィードポンプによりＧＴＬタンク１２内のＧＴＬ燃料が高圧燃料ポンプ１４に供給される。高圧燃料ポンプ１４は、供給されたＧＴＬ燃料を筒内噴射に適した噴射圧にまで高め、ＧＴＬインジェクタ１１に供給する。ＧＴＬタンク１２には、その内部に残存しているＧＴＬ燃料の量を検出する残量センサ１５が備えられている。またＧＴＬ供給管１３にはＧＴＬ燃料を濾過するための燃料フィルタ１８が設けられる。

ここで各気筒において、一本のＧＴＬインジェクタ１１はＧＴＬ燃料を筒内燃焼室４の中心部に噴射可能であり、二本のガスインジェクタ６は、ＣＮＧを、その噴射されたＧＴＬ燃料よりも筒内燃焼室４の半径方向外側に噴射可能である。本実施形態の場合、ＧＴＬインジェクタ１１は筒内燃焼室４の中心、即ちシリンダ軸心に沿って配置され、その中心近傍から半径方向外側に放射状に燃料噴射を行う。これに対し、二本のガスインジェクタ６は、それぞれＧＴＬインジェクタ１１よりも筒内燃焼室４の半径方向外側の位置に僅かに傾斜して配置され、当該半径方向外側の位置から中心に向かって、即ちＧＴＬインジェクタ１１から噴射されたＧＴＬ燃料に向かって、ＣＮＧをＧＴＬ燃料とほぼ同時に噴射する。これによって、ＧＴＬインジェクタ１１は二本のガスインジェクタ６の間に配置されるようになり、ＧＴＬインジェクタ１１から噴射されたＧＴＬ燃料は、ガスインジェクタ６から噴射されたＣＮＧによって、筒内燃焼室４の中心側に集められるようになる。

ピストン５の頂面部には浅皿状の窪み１９が形成され、ＣＮＧ及びＧＴＬ燃料はそれぞれピストン５が上死点付近にあるときに窪み１９内に向けて噴射される。窪み１９は、上記のようなＣＮＧによるＧＴＬ燃料の中心部への寄せ集めを助長するように形成される。このＣＮＧによるＧＴＬ燃料の寄せ集め効果と、窪み１９の存在とにより、噴射されたＧＴＬ燃料がシリンダ内壁に到達して、そのシリンダ内壁に付着しているオイルを燃料で希釈してしまうという、いわゆるボアフラッシングの問題が解消される。

エンジン１には、これを制御するための制御手段としての電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）１００が備えられている。ＥＣＵ１００は、ガスインジェクタ６及びＧＴＬインジェクタ１１における燃料噴射時期及び燃料噴射量を制御する。特に、ＥＣＵ１００は、通常、ＧＴＬインジェクタ１１から噴射されるＧＴＬ燃料が、二本のガスインジェクタ６から噴射されるＣＮＧよりも少なくなるように燃料噴射量を制御する。つまりＧＴＬ燃料は着火アシストのための副燃料ないし補助燃料であり、必要最小限の量が噴射され、このＧＴＬ燃料を着火源としてＣＮＧの着火が行われる。このように、着火性の良い液体燃料であるＧＴＬ燃料を着火源として用いるので、着火性の良くないＣＮＧを主燃料とするエンジンの着火性が著しく向上される。例えばエンジンの始動性や冷間時の運転特性等が向上される。

ＧＴＬ燃料は着火アシスト用なので、例えば、エンジン運転状態に拘わらずその噴射量を一定とすることができる。しかしながら、エンジン運転状態に応じてその噴射量を変化させてもよい。またエンジン運転状態や燃料残量等に応じて、ＧＴＬインジェクタ１１を停止させてガスインジェクタ６のみで燃料噴射を行ったり、逆に、ガスインジェクタ６を停止させてＧＴＬインジェクタ１１のみで燃料噴射を行ってもよい。

ＥＣＵ１００には、前述の残量センサ１５の他、以下の各種センサ類が接続される。このセンサ類には、ガスボンベ７の内部圧力を検出するＣＮＧ残圧センサ（図示せず）、ガスデリバリ管９内のＣＮＧの圧力及び温度をそれぞれ検出する圧力センサ及び温度センサ２０，２１、ＧＴＬ燃料の噴射圧を検出するセンサ（図示せず）、エンジンのクランク角ひいては回転速度を検出するセンサ（図示せず）、アクセル開度を検出するセンサ（図示せず）、吸気通路に設けられたスロットル弁（図示せず）の開度を検出するセンサ（図示せず）などが含まれる。ＥＣＵ１００は、これらセンサ類の検出信号に基づき、ガスインジェクタ６及びＧＴＬインジェクタ１１の燃料噴射量、燃料噴射時期及び噴射圧を制御すると共に、吸気通路に設けられたスロットル弁（図示せず）の開度をアクチュエータを介して制御する。これら制御にはＥＣＵ１００の内部に記憶された各種マップ又は演算式が利用される。特にＥＣＵ１００は予め記憶されているマップを用い、エンジン運転状態に応じたＧＴＬ及びＣＮＧの噴射量及び噴射時期を算出し、これら噴射量及び噴射時期に応じてガスインジェクタ６及びＧＴＬインジェクタ１１を制御する。

さて、本実施形態に係る多種燃料エンジン１においては、着火用の副燃料としてＧＴＬ燃料が使用される。ＧＴＬ燃料は、天然ガス系の燃料であって、高セタン価で硫黄分・アロマ分を含まないため、これが燃焼しても煤が発生しない。従って、液体燃料の燃焼によって煤が発生することに起因するスモークの問題も解消することが可能になる。ＣＮＧも天然ガスであり、燃焼しても煤が発生しない。よってエンジン全体としてスモークの発生がないエンジンとすることが可能となる。そして煤が発生しないので、排気浄化装置としてのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）も不要となる。

そしてＧＴＬ燃料は、着火性がＣＮＧに比べて良好であるため、従来の軽油と同様、確実な初期着火を達成して、これに続くＣＮＧの着火・燃焼を確実に引き起こすことができる。

さらにＣＮＧ、ＧＴＬ燃料といった、ともに天然ガス系の燃料を用いるため、燃焼時のＣＯ_２の発生を抑制することができる。そして両燃料とも、硫黄分を殆ど含まないため、排気浄化用触媒の被毒劣化をも抑制することができる。さらに両燃料とも天然ガス系の燃料であるため、仮に石油資源が枯渇しても本エンジンを成立させることが可能になる。

なお、ここでは１回の燃料噴射時にＣＮＧ及びＧＴＬ燃料の両方を噴射するようにしたが、例えば一方の燃料の残量が少なくなった場合など、状況に応じていずれか一方の燃料のみを噴射させるようにしてもよい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る多種燃料エンジンの第２実施形態を説明する。なお、前記第１実施形態と同様の構成及び要素については図中同一符号を付し、説明を基本的に割愛すると共に、以下相違点を中心に説明する。

図２は、第２実施形態の多種燃料エンジンを示す概略構成図である。このエンジン１ではガスインジェクタ６が筒内燃焼室４ではなく吸気通路２８に臨んで設けられ、吸気通路２８内にＣＮＧを噴射する。吸気通路２８は、シリンダヘッド３に形成された吸気ポート２９と、吸気ポート２９の上流側に接続された気筒別の枝管３０と、枝管３０の上流側に接続された吸気集合部としてのサージタンク３１とを備える。本実施形態の場合、一本のガスインジェクタ６が枝管３０に取り付けられ、吸気ポート２９内に向けてＣＮＧを噴射する。この噴射されたＣＮＧは吸気行程で筒内燃焼室４に吸入され、筒内燃焼室４で予混合気を形成する。ＧＴＬインジェクタ１１は前記同様にシリンダヘッド３に取り付けられて筒内燃焼室４にＧＴＬ燃料を直接噴射する。

なお、排気通路２２には上流側から順に、ターボ過給機のタービン２３と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４（以下単に「ＮＯｘ触媒」という）とが設けられている。これらに関する特徴は後述の第３実施形態で説明する。周知のように、ターボ過給機のコンプレッサ（図示せず）がサージタンク３１の上流側に設置され、コンプレッサがタービン２３により駆動されて吸入空気が過給される。

本実施形態によれば、ガスインジェクタ６が吸気通路２８にＣＮＧを噴射するので、ガスインジェクタ６が筒内燃焼室４の高温に直接晒されることがなくなる。従ってガスインジェクタ６を耐熱性の高い構造とする必要が無くなり、その構造を簡単化しコストを低減できる。特にガスインジェクタ６の場合だと、燃料が気体であるため、液体燃料の場合に比べて潤滑や冷却が劣り、内部の摺動部（例えば弁と弁シート間など）で摩耗が生じやすい。この場合にさらに耐熱性を上げようとするとインジェクタは必然的に複雑、高コストとなってしまう。本実施形態では、ガスインジェクタ６の耐熱性が特に問題とならないので、結果的にガスインジェクタ６を単純且つ低コストな構造とすることが可能になる。

ところで本実施形態では、エンジン始動時（特に低温始動時）の初期に、高セタン価で着火性の良いＧＴＬ燃料のみを噴射し、始動を確実に行えるようにしている。具体的には、スタータがオンされるエンジンの始動開始時から、エンジン回転速度ＮＥが所定値ＮＥ１を超えるまでの間は、ＧＴＬインジェクタ１１のみが作動されてガスインジェクタ６が停止され、燃料としてＧＴＬ燃料のみが噴射される。これにより確実にエンジンが始動される。ここで所定値ＮＥ１としては少なくともクランキング回転速度より高い値が設定され、例えば温間時のアイドル回転速度に等しく設定される。

そして、エンジン回転速度ＮＥが所定値ＮＥ１を超えた後は、通常同様、ガスインジェクタ６とＧＴＬインジェクタ１１との両方が作動され、燃料としてＣＮＧとＧＴＬ燃料との両方が噴射される。この場合前述したようにそれぞれの燃料の噴射量及び噴射時期はエンジン運転状態に応じてマップから定められる値となる。

ＣＮＧを筒内燃焼室４ではなく吸気通路２８に噴射するようにすると、ＣＮＧが筒内燃焼室４内で空気と予混合化してから燃焼するようになるため、着火性の一層の悪化が懸念される。従って、始動初期に通常通りＣＮＧを主燃料として燃料噴射を行うと、始動時間が長期化したり、最悪エンジンがかからなくなるなどの始動不良を引き起こす可能性がある。低温時にはこの問題がさらに顕著となる。よって本実施形態のように、始動初期にＧＴＬ燃料のみを噴射するようにすれば、エンジンを確実に始動させられ、かかる始動不良の問題を解消することができる。

なお、自動車用燃料に関するＣＯ_２排出量の評価方法としてＷＴＷなるものが知られている。ＷＴＷとはWell to Wheelの略称で、石油の井戸から自動車の車輪までの意である。つまり資源採掘、燃料製造、燃料の配送、使用という過程で排出されるＣＯ_２の総排出量を比較して燃料を評価するものである。ＷＴＷは、資源採掘から車の燃料タンクまでのＷＴＴ（Well To Tank）と、燃料タンクから車が最終的に消費するまでのＴＴＷ（Tank to Wheel）との二段階に大別される。

ＧＴＬ燃料は、通常燃料である軽油と比較すると、エンジン運転段階即ちＴＴＷではＣＯ_２排出量が同等もしくは若干減少するが、それが合成燃料であることから、燃料製造段階即ちＷＴＴにおいてＣＯ_２排出量が多いというデメリットがある。しかしながら、本実施形態におけるＧＴＬ燃料の使用は、通常運転時にはＣＮＧ着火アシストのための必要最小限の量に限られ、また始動時には始動初期の極短時間のみに限られる。よってＧＴＬ燃料の消費量は総じて少なく、ＷＴＷとして考えた場合にＣＯ_２排出量の悪化は十分に抑制されるものと考えられる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明に係る多種燃料エンジンの第３実施形態を説明する。なお、前記第１及び第２実施形態と同様の構成及び要素については図中同一符号を付し、説明を基本的に割愛すると共に、以下相違点を中心に説明する。

図３は、第３実施形態の多種燃料エンジンを示す概略構成図である。このエンジン１においては、排気通路２２に、上流側から順に、ターボ過給機のタービン２３と、ＮＯｘ触媒２４とが設けられている。第１実施形態と同様、二本のガスインジェクタ６がシリンダヘッド３に取り付けられ、それぞれ筒内燃焼室４にＣＮＧを噴射する。

ＮＯｘ触媒２４は、酸素の存在下或いは酸素濃度の高い雰囲気中で、排気中のＮＯｘを吸収するものである。一方、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収効率が低下した場合、ＮＯｘ触媒に還元剤を添加することにより、ＮＯｘ触媒からＮＯｘを放出させるとともに放出されたＮＯｘを還元浄化する（この操作を「再生」という）。供給された還元剤はＮＯｘ触媒の触媒作用により燃焼して排気中の酸素を消費し、ＮＯｘ触媒の雰囲気酸素濃度を低下させ、これにより、ＮＯｘ触媒から吸収されたＮＯｘが放出されて還元剤により還元浄化される。ディーゼルエンジンではストイキ（理論空燃比、Ａ／Ｆ＝約１４．７）よりもはるかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の運転状態では排気空燃比は非常にリーンであり、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ触媒に吸収される。一方、再生操作にあたり、還元剤がＮＯｘ触媒に供給され排気空燃比が所定値（例えば理論空燃比（＝約１４．７）相当）まで低下すると、ＮＯｘ触媒は吸収したＮＯｘの放出を行い、このとき供給された還元剤はＮＯｘを還元浄化する。なお、この再生操作によりＮＯｘ触媒の劣化も抑制される。

このＮＯｘ触媒２４の再生操作を行うため、排気通路２２には、リッチスパイク用のＧＴＬ燃料を当該排気通路２２に噴射するためのリッチスパイク用インジェクタ２５が設けられている。ここでリッチスパイクとは、当該再生操作に当たりＮＯｘ触媒に供給する排気ガスの空燃比を通常運転時よりも低下させるために、ＮＯｘ触媒上流側の排気通路に還元剤を供給することをいう。本実施形態では、還元剤としてＧＴＬ燃料を用い、リッチスパイク用インジェクタ２５がシリンダヘッド３に取り付けられている。リッチスパイク用インジェクタ２５は、第２ＧＴＬ供給管（第２液体燃料供給路）２６を介して高圧燃料ポンプ１４の上流側に接続され、高圧燃料ポンプ１４により昇圧される前のフィード圧のＧＴＬ燃料が供給される。このリッチスパイク用インジェクタ２５もＥＣＵ１００により燃料噴射量及び燃料噴射時期が制御される。リッチスパイク用インジェクタ２５はその下流側に向けてＧＴＬ燃料を噴射するように構成されている。

特に、本実施形態のような排気通路２２にタービン２３を備えたエンジン１においては、リッチスパイク用インジェクタ２５から噴射された液体燃料としてのＧＴＬ燃料を、ＮＯｘ触媒２４に到達する前に、タービン２３の熱によって気化させることができるので、ＮＯｘ触媒２４の再生に有利である。

ところで、ＮＯｘ触媒２４を再生するためには、前記のようなリッチスパイクを行うほかに、筒内燃焼室４内に噴射するＣＮＧ又はＧＴＬ燃料を通常時よりも多くして、排気空燃比を通常時よりも低くする方法がある。本実施形態では、ＮＯｘ触媒２４の再生時に、基本的にはリッチスパイク用インジェクタ２５を用いてリッチスパイクを行い、ＧＴＬタンク１２内のＧＴＬ燃料の残存量が所定値以下となった場合は、ガスインジェクタ６から通常より遅い時期にＣＮＧを噴射するポスト噴射を、通常のＣＮＧ噴射に加えて行う方法を採用している。

ＧＴＬ燃料は、本来、着火アシスト用として通常の燃料噴射に用いられるものである。従ってＧＴＬ燃料は、通常の運転を妨げないようにある程度の量をＧＴＬタンク１２内に確保しておくことが必要であり、ＧＴＬタンク１２内の残存量が少なくなった場合、ＧＴＬ燃料によるリッチスパイクを実行しないのが好ましい。そこで、このようにＧＴＬタンク１２内のＧＴＬ燃料残存量が少なくなった場合は、ガスインジェクタ６からのＣＮＧによるポスト噴射に切り替えて、ＧＴＬ燃料の消費を抑え、ＧＴＬ燃料を一定量以上確保するようにしている。

前記リッチスパイクは好ましくは排気行程中に行われる。これにより、排気通路中の排気ガスの流れに乗せて、リッチスパイク用インジェクタ２５から噴射されたＧＴＬ燃料を、効率的にＮＯｘ触媒２４に到達させることができる。

また、ポスト噴射は、好ましくは膨張行程中に行われるが、排気行程中に行われてもよい。このポスト噴射は、噴射されたＣＮＧが実質的に燃焼されないようなタイミングで行われる。このポスト噴射の噴射時期には比較的自由度がある。その理由は、燃料が液体燃料でなく気体燃料なので、シリンダボア壁面に燃料が付着しても、オイルの希釈化というボアフラッシングの問題が発生しないからである。

次に、本実施形態において実行されるＮＯｘ触媒の再生制御を図４に示すフローチャートに基づいて説明する。図示される処理ルーチンはＥＣＵ１００によって所定の時間又はクランク角毎に繰り返し実行される。

まず、ＥＣＵ１００は、前記センサ類の検出値に基づいたエンジン運転状態を示す各種データを読み込む（ステップＳ１０１）。

次に、ＥＣＵ１００は、現時点がＮＯｘ触媒２４の再生タイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この判定は、エンジンから排出されたＮＯｘの積算量が、ＮＯｘ触媒２４の所定のＮＯｘ吸蔵量を超えたか否かを判定することにより行われる。

図５は、ＮＯｘの積算量を計算する際に用いられるＮＯｘ排出量マップを示す。このマップは実機試験等に基づいて予め作成され、ＥＣＵ１００に記憶されている。図示されるように、ＮＯｘ排出量は、エンジン回転速度ＮＥが高くなるほど、また燃料噴射量Ｑ（ガスインジェクタ６及びＧＴＬインジェクタ１１から噴射される燃料量の総量）が多くなるほど、増加する。なお燃料噴射量Ｑはエンジン負荷の代用値である。燃料噴射量Ｑの代わりにアクセル開度を用いることも可能である。ＥＣＵ１００は、所定時間毎に、実際のエンジン運転状態即ちエンジン回転速度ＮＥと燃料噴射量Ｑとに対応するＮＯｘ排出量を、マップから求め、これを時々刻々と積算していく。そしてこのＮＯｘ排出量の積算量が、ＮＯｘ触媒２４における所定のＮＯｘ吸蔵量を超えた場合、ＮＯｘ触媒２４の再生タイミングであると判定し、逆に、ＮＯｘ排出量の積算量がＮＯｘ吸蔵量を超えていない場合、ＮＯｘ触媒２４の再生タイミングでないと判定する。なお、ＮＯｘ触媒２４のＮＯｘ吸蔵量は、一定値としてもよいし、ＮＯｘ触媒２４の温度の関数としてもよい。ＮＯｘ触媒２４の再生タイミングでないと判定した場合、本ルーチンを終了する。

他方、ＥＣＵ１００は、ＮＯｘ触媒２４の再生タイミングであると判定した場合、残量センサ１５により、ＧＴＬタンク１２内のＧＴＬ燃料の残存量ａを検出する（ステップＳ１０３）。そしてこの残存量ａが所定量Ａ０より多いか否かを判定する（ステップＳ１０４）。

残存量ａが所定量Ａ０より多い場合、ＥＣＵ１００は、前述したようなリッチスパイクのための制御を実行する。即ち、リッチスパイク用インジェクタ２５から所定量のＧＴＬ燃料を排気行程中に排気通路２２内に噴射させる。

図６は、リッチスパイク用インジェクタ２５から噴射される燃料量（リッチスパイク燃料量）Ｑｒｓのマップを示す。このマップも実機試験等に基づいて予め作成され、ＥＣＵ１００に記憶されている。図示されるように、リッチスパイク燃料量Ｑｒｓは、エンジン回転速度ＮＥが高くなるほど増加するが、燃料噴射量Ｑのみの変化によっては変化せず一定である。ＥＣＵ１００は、実際のエンジン運転状態即ちエンジン回転速度ＮＥと燃料噴射量Ｑとに対応するリッチスパイク燃料量Ｑｒｓをマップから求め、このリッチスパイク燃料量ＱｒｓのＧＴＬ燃料をリッチスパイク用インジェクタ２５から噴射させる。

次にＥＣＵ１００は、初回のリッチスパイクの実行タイミングから所定時間が経過しているか否かを内蔵のタイマ等を用いて判定する（ステップＳ１０６）。所定時間が経過していなければ本ルーチンを終え、リッチスパイクを継続する。所定時間が経過していればリッチスパイクを終了し（ステップＳ１０７）、本ルーチンを終える。

一方、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０４でＧＴＬ燃料の残存量ａが所定量Ａ０以下であると判定した場合、ガスインジェクタ６からＣＮＧによるポスト噴射を実行させる（ステップＳ１０８）。このとき、ガスインジェクタ６から噴射されるＣＮＧの噴射量（ポスト噴射量）Ｑｐｏは以下のようにして算出される。

ポスト噴射量Ｑｐｏは、前述のように算出されるリッチスパイク燃料量Ｑｒｓを換算して求められる。ＧＴＬ燃料の場合、ストイキ空燃比が15.1であり、他方、ＣＮＧの場合、ストイキ空燃比が16.8である。また、ＧＴＬ燃料の場合、比重が0.785(g/cm^３)であり、他方、ＣＮＧの場合、比重が0.84(kg/Ncm^３)である。従って、ポスト噴射量Ｑｐｏは次式により求められる。
Ｑｐｏ＝Ｑｒｓ×（単位空気量当たりのＣＮＧ質量／ＣＮＧ比重）／（単位空気量当たりのＧＴＬ質量／ＧＴＬ比重）
＝Ｑｒｓ×（(1/16.8)/0.84(kg/Ncm^３)）／（(1/15.1)/0.785(g/cm^３)）
＝Ｑｒｓ×（15.1×0.785×0.001）／（16.8×0.84×1000×10^−６×10^−３）
＝Ｑｒｓ×8.4×10^２

なお、ポスト噴射の噴射時期は、ポスト噴射が少なくとも排気行程中に終了するように設定される。このステップＳ１０８において、ユーザにＧＴＬ燃料の残存量が少ないことを知らせる警告灯等がＥＣＵ１００により作動されてもよい。

こうしてポスト噴射が実行された後、ＥＣＵ１００は、初回のポスト噴射の実行タイミングから所定時間が経過しているか否かを内蔵のタイマ等を用いて判定する（ステップＳ１０９）。所定時間が経過していなければ本ルーチンを終え、ポスト噴射を継続する。所定時間が経過していればポスト噴射を終了し（ステップＳ１１０）、本ルーチンを終える。

このように、本実施形態におけるＮＯｘ触媒再生制御によれば、ＧＴＬタンク１２内のＧＴＬ燃料の残存量が少なくなったとき、ＧＴＬ燃料によるリッチスパイクが中止され、代わりにＣＮＧによるポスト噴射が実行されるので、ＧＴＬ燃料を一定量以上確保すると共にその後のＧＴＬ燃料の消費を抑制することができ、ＧＴＬ燃料による本来の着火アシストを継続し、通常のエンジンの運転を比較的長時間継続することが可能になる。

また、エンジン運転状態に応じたＮＯｘ排出量を算出してこれを積算するので、エンジン運転状態の変化に応じた正確な量のＮＯｘ積算量を算出することが可能である。また、ＣＮＧによるポスト噴射量Ｑｐｏを、ＧＴＬ燃料によるリッチスパイク燃料量Ｑｒｓを換算して算出するため、マップの共用化が図れ、適合の手間を省略することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は他の実施形態を採用することもできる。例えば、エンジンは火花点火式内燃機関であってもよい。特に、空燃比がストイキよりもリーンであるリーンバーンエンジンにも本発明を適用可能である。また、前述の第２及び第３実施形態のようにターボ過給機を備えることは任意である。このほか、ＥＧＲ装置などの他の付加デバイスを装備することも任意である。

前記実施形態では気体燃料を主燃料とし、ＧＴＬ燃料を着火アシスト用の副燃料としたが、こうした主、副の区別無く２種類以上の燃料を用いるエンジンに本発明は適用可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限定されず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明に係る多種燃料エンジンの第１実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る多種燃料エンジンの第２実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る多種燃料エンジンの第３実施形態を示す概略構成図である。 第３実施形態におけるＮＯｘ触媒再生制御のルーチンを示すフローチャートである。 ＮＯｘ排出量マップである。 リッチスパイク噴射量マップである。

符号の説明

１ 多種燃料エンジン
４ 筒内燃焼室
６ ガスインジェクタ（気体燃料用インジェクタ）
１１ ＧＴＬインジェクタ（液体燃料用インジェクタ）
１２ ＧＴＬタンク
１５ 残量センサ
２２ 排気通路
２３ タービン
２４ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２５ リッチスパイク用インジェクタ
２８ 吸気通路
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (9)

1. 気体燃料を噴射可能な気体燃料用インジェクタと、液体燃料を噴射可能な液体燃料用インジェクタとを備えた多種燃料エンジンにおいて、前記液体燃料をＧＴＬ燃料としたことを特徴とする多種燃料エンジン。
2. 前記液体燃料用インジェクタが前記液体燃料を筒内燃焼室の中心部に噴射可能であり、その噴射された前記液体燃料よりも前記筒内燃焼室の半径方向外側に、前記気体燃料用インジェクタが前記気体燃料を噴射可能であることを特徴とする請求項１記載の多種燃料エンジン。
3. 前記液体燃料用インジェクタが１気筒当たりに一本設けられ、前記気体燃料用インジェクタが１気筒当たりに複数設けられることを特徴とする請求項１又は２記載の多種燃料エンジン。
4. 前記液体燃料用インジェクタが前記液体燃料を筒内燃焼室に噴射可能であり、前記気体燃料用インジェクタが前記気体燃料を吸気通路内に噴射可能であることを特徴とする請求項１記載の多種燃料エンジン。
5. エンジンの始動開始からエンジン回転速度が所定値を超えるまでの間は、前記液体燃料用インジェクタのみが作動されて前記気体燃料用インジェクタが停止されることを特徴とする請求項４記載の多種燃料エンジン。
6. 排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒と、
   該ＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生処理を実行するために、リッチスパイク用の前記液体燃料を排気通路に噴射するリッチスパイク用インジェクタと
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の多種燃料エンジン。
7. 前記液体燃料の残存量が所定量を超えているか否かを判定する判定手段と、
   前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生処理に際し、前記判定手段により、前記液体燃料の残存量が所定量を超えていると判定された場合、前記リッチスパイク用インジェクタから前記液体燃料を噴射させ、前記判定手段により、前記液体燃料の残存量が所定量を超えていないと判定された場合、前記気体燃料用インジェクタによりポスト噴射を実行させる噴射制御手段と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の多種燃料エンジン。
8. 前記噴射制御手段は、前記リッチスパイク用インジェクタから前記液体燃料を噴射させるとき、その噴射量をエンジン運転状態に基づいて算出し、前記気体燃料用インジェクタによりポスト噴射を実行させるとき、その噴射量を、前記リッチスパイク用インジェクタから噴射される噴射量を換算して算出することを特徴とする請求項７記載の多種燃料エンジン。
9. 圧縮着火式内燃機関である請求項１乃至８いずれかに記載の多種燃料エンジン。
   

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