JP2020020332A

JP2020020332A - 内燃機関

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Publication number: JP2020020332A
Application number: JP2018147110A
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Inventors: 和宏宮島; Kazuhiro Miyajima
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Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2020-02-06
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Abstract

【課題】気筒休止機能を有する内燃機関による二酸化炭素の削減効果を向上可能な内燃機関を提供する。【解決手段】一部の気筒での燃焼を停止させる気筒休止制御を実行可能な内燃機関において、内燃機関の排気中に水素を混合する水素生成装置と、水素生成装置により生成された水素を含む循環気を気筒休止制御の対象である休止気筒に戻すための還流通路と、還流通路を開閉する循環制御弁と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の乗り物に動力源として搭載される内燃機関に関する。

従来、自動車等の乗り物には動力源としてガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関が搭載されている。内燃機関から排出される排気には二酸化炭素が含まれる。内燃機関の燃料消費率を低減して燃料消費量を削減することは、二酸化炭素の削減にもつながる。

燃料消費率を改善する装置として気筒休止機能を有する内燃機関が知られている。気筒休止機能を有する内燃機関は、内燃機関の要求トルクが小さい場合に、内燃機関の複数の気筒のうちの一部の気筒での燃焼を停止することにより他の気筒で燃焼効率の良い運転状態でトルクを発生し、燃料消費率を低減する。

特開２０１７−８２７２７号公報

しかしながら、従来の気筒休止機能を有する内燃機関は、燃料消費量を削減すること以上に二酸化炭素を削減することができない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、気筒休止機能を有する内燃機関による二酸化炭素の削減効果を向上可能な、内燃機関を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、一部の気筒での燃焼を停止させる気筒休止制御を実行可能な内燃機関において、内燃機関の排気中に水素を混合する水素生成装置と、水素生成装置により生成された水素を含む循環気を気筒休止制御の対象である休止気筒に戻すための還流通路と、還流通路を開閉する循環制御弁と、を備える、内燃機関が提供される。

還流通路が休止気筒の燃焼室に接続されてもよい。

休止気筒のピストンの下降行程において、循環制御弁が開弁されてもよい。

還流通路が、内燃機関の吸気通路に接続されてもよい。

休止気筒のピストンの下降行程において、休止気筒の吸気弁が開弁されてもよい。

休止気筒の燃焼室に接続され、休止気筒で吸気及び循環気から生成されたメタノールを含むメタノール混合気を排出するための排出通路と、排出通路を開閉する排出制御弁と、を備えてもよい。

休止気筒のピストンの上昇行程において、排出制御弁が開弁されてもよい。

排出通路に、メタノール混合気からメタノールを分離する冷却器及び気液分離器を備えてもよい。

休止気筒のピストンの上昇行程において、休止気筒の吸気弁が開弁され、休止気筒で吸気及び循環気から生成されたメタノールを含むメタノール混合気が吸気通路に戻されてもよい。

本発明によれば、気筒休止機能を有する内燃機関による二酸化炭素の削減効果を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の構成例を示す模式図である。同実施形態に係る内燃機関の動作例を示す説明図である。同実施形態の変形例に係る内燃機関の構成例を示す模式図である。同実施形態の変形例に係る内燃機関の動作例を示す説明図である。本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の構成例を示す模式図である。同実施形態に係る内燃機関の４つの気筒の構成例を示す模式図である。同実施形態に係る内燃機関の動作例を示す説明図である。同実施形態の変形例に係る内燃機関の構成例を示す模式図である。同実施形態の変形例に係る内燃機関の４つの気筒の構成例を示す模式図である。同実施形態の変形例に係る内燃機関の動作例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜＜１．第１の実施の形態＞＞
＜１−１．内燃機関の構成例＞
まず、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の構成の一例について説明する。図１は、本実施形態に係る内燃機関１の構成例を概略的に示す模式図である。図１は、内燃機関１の複数の気筒のうちの一つの気筒３の構成を示す。

本実施形態に係る内燃機関１は、いわゆる４ストロークの火花点火式ガソリンエンジンである。内燃機関１は、例えば自動車に搭載され、自動車の動力源として機能する。内燃機関１は、複数の気筒を備えるとともに、一部の気筒における燃焼を停止可能な気筒休止機能を有する内燃機関である。

内燃機関１は、それぞれの気筒３に対応して、ピストン１１、コネクティングロッド１９、点火プラグ１３、吸気弁１５及び排気弁１７を有する。気筒３は、図示しないシリンダブロックに形成された略円筒状のシリンダボア２１により形成される。ピストン１１は、シリンダボア２１内を摺動自在に収容されている。気筒３のうちのピストン１１により区画された空間が燃焼室５として機能する。

コネクティングロッド１９の一端側はピストン１１に連結されている。コネクティングロッド１９の他端側は図示しないクランクシャフトに連結されている。ピストン１１は、コネクティングロッド１９を介して図示しないクランクシャフトに連結されている。

気筒３には、燃焼室５に連通する吸気ポート３１及び排気ポート３３が接続されている。吸気ポート３１は吸気通路５１の一部として機能する。排気ポート３３は排気通路６１の一部として機能する。吸気ポート３１には吸気弁１５が設けられ、排気ポート３３には排気弁１７が設けられている。それぞれの気筒３に備えられる吸気ポート３１及び吸気弁１５の数、あるいは、排気ポート３３及び排気弁１７の数は適宜設定することができる。

吸気弁１５は、燃焼室５の内部であって、吸気ポート３１が燃焼室５へ開口する部位に配置される。吸気弁１５の後端部には、ロッカーアーム４３を介して吸気カム４１が当接している。吸気弁１５は、図示しない復帰用バネにより閉弁方向に付勢されている。吸気弁１５は、吸気カム４１の回転により往復移動する。これにより、吸気弁１５は、ロッカーアーム４３を介して吸気弁１５を開弁方向に押し込み、吸気ポート３１を燃焼室５に対して開閉する。吸気カム４１は、タイミングベルトあるいはチェーンを介してクランクシャフトに連結された吸気カムシャフトとともに回転する。

排気弁１７は、燃焼室５の内部であって、排気ポート３３が燃焼室５へ開口する部位に位置する。排気弁１７の後端部には、ロッカーアーム４７を介して排気カム４５が当接している。排気弁１７は、図示しない復帰用バネにより閉弁方向に付勢されている。排気弁１７は、排気カム４５の回転により往復移動する。これにより、排気弁１７は、ロッカーアーム４７を介して排気弁１７を開弁方向に押し込み、排気ポート３３を燃焼室５に対して開閉する。排気カム４５は、タイミングベルトあるいはチェーンを介してクランクシャフトに連結された排気カムシャフトとともに回転する。

図１に示した内燃機関１の気筒３は、気筒休止制御の対象となる気筒である。それぞれのロッカーアーム４３，４７は、例えば油圧制御により動作し、吸気カム４１及び排気カム４５による吸気弁１５及び排気弁１７の押し込みを解放する。これにより、吸気弁１５及び排気弁１７は閉弁状態に保持され、気筒３の燃焼室５への吸排気が行われなくなる。

吸気弁１５及び排気弁１７の開弁動作の停止と併せて燃料噴射を停止することにより、燃焼室５内に混合気が形成されることもなくなる。このようにして、内燃機関１では、複数の気筒のうちの一部の気筒を休止させることができる。例えば、４気筒の内燃機関１の場合、内燃機関１の要求トルクが小さい期間に２つの気筒を休止させ、残る２つの気筒により要求されるトルクを出力する。これにより、燃焼安定性が良く燃焼効率の良い状態で内燃機関１の運転が行われ、燃料消費量が低減する。

なお、気筒休止制御の対象ではない気筒は、ロッカーアーム４３，４７を備えていない。したがって、当該気筒では、吸気弁及び排気弁の開弁動作は停止しない。

点火プラグ１３の先端は、例えばシリンダボア１０２の軸心に略重なる位置であって、吸気弁１５と排気弁１７との間の位置で、燃焼室５の内部に突出する。点火プラグ１３の駆動は、制御装置２００により制御される。

気筒３には、先端が燃焼室５に臨むように配置された図示しない燃料噴射弁が備えられる。燃料噴射弁は、例えばシリンダブロックの壁面に固定される。かかる燃料噴射弁は、制御装置２００によって駆動制御され、主として吸気行程において燃焼室５内に燃料を直接噴射する。これにより、燃焼室５内に吸気と燃料との混合気が形成される。

なお、内燃機関１は、燃焼室５内に燃料を直接噴射する形式のものに限られない。燃料噴射弁が吸気ポート３１に備えられ、あらかじめ形成された混合気が吸気ポート３１から燃焼室５に導入されてもよい。

内燃機関１の吸気通路５１は、吸気管５３、吸気コレクタ５５及び吸気ポート３１により形成される。吸気管５３から導入される新気は、吸気コレクタ５５及び吸気ポート３１を介して燃焼室５に導入される。吸気管５３には、吸気スロットル弁５７が備えられる。吸気スロットル弁５７は、制御装置２００によって駆動され、吸気管５３の流路面積を調節する。これにより、新たに導入する新気の流量が調節される。

内燃機関１の排気通路６１は、排気管６３、排気コレクタ６５及び排気ポート３３により形成される。燃焼室５から導出される燃焼ガス（排気）は、排気コレクタ６５及び排気管６３を介して排出される。排気通路６１には、三元触媒６６が設けられている。三元触媒６６は、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯ_X）を反応させ、二酸化炭素（ＣＯ₂）、窒素（Ｎ₂）及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）に変換する。

排気通路６１には、気筒３の燃焼室５に通じる還流通路８１が接続されている。還流通路８１には水素生成装置として機能する燃料改質装置６７が備えられている。

内燃機関１の吸気行程では、吸気弁１５が開くとともにピストン１１が下降して燃焼室５の体積が増加することで、空気と燃焼との混合気が、吸気ポート３１を介して燃焼室５に流入する。吸気行程後の圧縮行程では、吸気弁１５が閉じるとともにピストン１１が上昇して燃焼室５の体積が減少することで、燃焼室５の混合気が圧縮される。

圧縮行程後の燃焼行程では、点火プラグ１３が所定のタイミングで火花を発生することにより、混合気が点火されて燃焼する。これにより、ピストン１１が押し下げられて燃焼室５の体積が増加する。燃焼行程後の排気行程では、排気弁１７が開くとともにピストン１１が上昇して燃焼室５の体積が減少する。これにより、燃焼後の混合気が、排気ポート３３を介して燃焼室５から流出する。このようにしてピストン１１が往復運動を行う。往復運動は、コネクティングロッド１９を介してクランクシャフトの回転運動に変換される。

なお、ピストン１１の上昇とは、燃焼室５の体積が減少する方向にピストン１１が移動することをいい、ピストン１１の下降とは、燃焼室５の体積が増加する方向にピストン１１が移動することをいう。

制御装置２００は、マイクロコンピュータ等のプロセッサと、プロセッサに実行させるプログラムや演算処理に用いる種々のパラメータ、演算結果等を記憶する記憶装置と、各電子制御部品を駆動する駆動回路等を含む。制御装置２００は、内燃機関１に備えられた吸気スロットル弁５７、点火プラグ１３及び燃料噴射弁等の駆動を制御し、内燃機関１の運転状態を制御する。

＜１−２．二酸化炭素浄化機能＞
次に、本実施形態に係る内燃機関１において、休止気筒を利用して大気中の二酸化炭素を削減する機能を説明する。

気筒休止制御の対象となる気筒３は、還流通路８１及び排出通路８３を備える。還流通路８１及び排出通路８３は、それぞれ燃焼室５に接続されている。還流通路８１には、水素生成装置として機能する燃料改質装置６７と、還流通路８１を開閉する循環制御弁７１が備えられている。還流通路８１の循環制御弁７１は、還流通路８１を開閉できるものであればよく、例えば電磁ソレノイドへの通電のオンオフにより開閉を切換可能な電磁制御弁であってよい。

燃料改質装置６７は、燃料噴射器６８及び改質触媒６９を有する。燃料改質装置６７は、燃料噴射器６８から内燃機関１用のガソリン燃料を噴射して還流通路８１を流れる排気（以下、「循環気」ともいう。）とともに改質触媒６９を通過させることで水素を生成する。これにより、循環気中に水素が混合される。燃料噴射器６８は、例えば気筒３に燃料を噴射する燃料噴射弁であってよい。燃料噴射器６８の駆動は、制御装置２００により制御される。改質触媒６９は、例えばセラミック等の触媒担体に主としてロジウムを担持させた従来公知の改質触媒６９であってよい。改質触媒６９は、噴射された燃料を、循環気中の水蒸気（Ｈ₂Ｏ）と水蒸気改質反応させて、水素（Ｈ₂）を含む循環気を生成する。

なお、燃料噴射器６８から噴射する燃料は、内燃機関１用のガソリン燃料に限られるものではなく、ＬＰＧやエタノール等の炭化水素系の燃料であればよい。また、水素生成装置は、循環気中に水素を混合可能な装置であればよく、燃料改質装置６７に限られるものではない。

排出通路８３には、排出通路８３を開閉する排出制御弁７３と、燃焼室５から排出されるメタノール混合気を冷却する冷却器８４と、メタノール混合気中のメタノールを液化して捕集するための気液分離器８５が備えられている。排出通路８３の排出制御弁７３は、排出通路８３を開閉できるものであればよく、例えば電磁ソレノイドへの通電のオンオフにより開閉を切換可能な電磁制御弁であってよい。循環制御弁７１及び排出制御弁７３の駆動は、制御装置２００により制御される。

冷却器８４は、燃焼室５から排出されるメタノールを含むメタノール混合気を冷却して、メタノールを凝縮する。冷却器８４は、メタノール混合気を冷却できる機構であれば具体的な構成は限定されるものではない。冷却器８４は、例えば内燃機関１の冷却水を循環させる形式の冷却器であってもよく、風冷式又は空冷式の冷却器であってもよい。

気液分離器８５は、凝縮されたメタノールと、未反応の排出ガスとを分離する。気液分離器８５は、例えば凝縮されたメタノールを捕集するフィルタを有するものであってもよい。本実施形態に係る内燃機関１では、分離して捕集されたメタノールは、燃料タンク８９に戻される。なお、気液分離器８５の構成は、フィルタを有するものに限られない。

循環制御弁７１及び排出制御弁７３による開閉位置は、シリンダボア２１の内周面に近い位置であることが好ましい。開閉位置がシリンダボア２１の内周面に近い場合、気筒休止制御の対象でない気筒を含むすべての気筒の設計寸法を同一にしても、燃焼室の体積の差を抑制することができる。また、開閉位置がシリンダボア２１の内周面に近い場合、循環制御弁７１及び排出制御弁７３を閉じて気筒３内で燃焼を行う際に、燃焼室５内に生成される混合気の流れの複雑化を低減することができる。

上述のように、排気通路６１から分岐する還流通路８１には、燃料改質装置６７が備えられている。気筒休止制御中において、気筒３内のピストン１１の下降行程中に循環制御弁７１が開かれると、燃焼室５内の圧力の低下に伴って、排気通路６１の排気が、循環気として還流通路８１を介して燃焼室５内に導入される。このとき導入される循環気には水素が含まれている。

気筒休止制御中、気筒３では、燃焼室５内に大気が導入されるとともに、大気中の二酸化炭素と、循環気中に含まれる水素と、排気熱と、筒内圧力とを利用して、メタノールの合成反応が生じる。

具体的に、気筒休止制御中、吸気ポート３１を介して燃焼室５に大気が導入され、かつ、還流通路８１を介して燃焼室５に循環気が導入された後のピストン１１の上昇行程において、吸気弁１５、排気弁１７、循環制御弁７１及び排出制御弁７３が閉じられて、燃焼室５内の圧力が上昇する。また、導入される循環気の温度は、気筒休止制御中であっても、例えば５００℃程度となっている。このような高圧及び高温の条件下においては、以下の化学反応式（１）にしたがって水素と二酸化炭素が反応し、メタノールが生成される。
ＣＯ₂＋３Ｈ₂→ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ … （１）

生成されたメタノールを含むメタノール混合気は、ピストン１１の上昇行程において、排出制御弁７３が開かれることによって、燃焼室５の体積の減少とともに排出通路８３へと排出される。メタノール混合気中のメタノールは、冷却器８４により冷却されて凝縮され、気液分離器８５で捕集され、燃料タンク８９に流入する。

なお、本実施形態に係る内燃機関１では、排気通路６１に三元触媒６６が配置され、循環中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯ_X）は低減されている。このため、排出通路８３へと排出されメタノールを回収した後の未反応の排出ガスは大気中に放出されてもよい。

＜１−３．内燃機関の動作例＞
図２は、気筒休止制御の対象である気筒３に備えられた吸気弁１５、排気弁１７、循環制御弁７１及び排出制御弁７３の開閉動作の一例を示す説明図である。図２中、行程ａは吸気行程、行程ｂは圧縮行程、行程ｃは燃焼行程、行程ｄは排気行程を示す。

気筒休止制御がオフの期間、吸気弁１５は吸気行程ａにおいて開かれ、排気弁１７は排気行程ｂにおいて開かれる。この期間において、循環制御弁７１及び排出制御弁７３はともに閉じた状態で保持される。したがって、気筒休止制御がオフの期間には、気筒休止制御の対象の気筒３においても、気筒休止制御の対象外の気筒と同様に燃焼制御が行われる。

一方、気筒休止制御がオンの期間、排気弁１７は閉じた状態で保持される。具体的には、排気カム４５と排気弁１７との間のロッカーアーム４７が作動することによって、排気カム４５による排気弁１７の押し込みが解放される。

また、気筒休止制御がオンの期間、ピストン１１の下降行程に当たる吸気行程ａでは吸気弁１５及び循環制御弁７１が開かれる。これにより、吸気通路５１を介して二酸化炭素を含む大気が燃焼室５に導入されるとともに、水素を含む循環気が燃焼室５内に導入される。吸気行程ａの後のピストン１１の上昇行程に当たる圧縮行程ｂでは吸気弁１５及び循環制御弁７１がともに閉じられ、燃焼室５内の圧力が上昇する。この圧縮行程ｂにおいて、導入された排気熱及び高圧の条件下、上記式（１）にしたがって二酸化炭素と水素が反応し、メタノールが生成される。

圧縮行程ｂの後の燃焼行程ｃでは引き続きすべての弁が閉じられたままで、燃焼を生じることなくピストン１１が下降する。燃焼行程ｃの後のピストン１１の上昇行程に当たる排気行程ｄでは、排出制御弁７３が開かれる。排気行程ｄでは、燃焼室５の体積の減少に伴って、生成されたメタノールを含むメタノール混合気が排気通路６１へと排出される。

気筒休止制御の対象となる気筒３では、気筒休止制御がオンの期間に、各行程において上記の動作が繰り返され、大気中の二酸化炭素が削減される。したがって、気筒休止制御によって燃料噴射量が削減されることによる二酸化炭素の削減以上に、大気中の二酸化炭素を削減することができる。また、本実施形態に係る内燃機関１は、二酸化炭素と水素との反応により生成されるメタノールを燃料タンク８９に回収するため、生成されたメタノールを内燃機関１の燃料として利用することができる。

なお、図２に示した例では、吸気、圧縮、燃焼及び排気の４行程を１期間として、全期間において燃焼室５に循環気を導入してメタノールを生成しているため、吸気弁１５の開弁動作を停止するためのロッカーアーム４３が省略されていてもよい。

また、図２に示した例では、吸気、圧縮、燃焼及び排気の４行程を１期間として、全期間において燃焼室５に循環気を導入してメタノールを生成しているが、８行程を１期間として、循環気及び大気の導入から、メタノールを含むメタノール混合気の排出までの間隔を長くしてもよい。この場合、燃焼室５に大気の導入を行わない吸気行程において、吸気弁１５及び循環制御弁７１の開弁動作が停止される。これにより、一度に導入された大気中の二酸化炭素のうち水素と反応する二酸化炭素の割合を増加させることができる。

また、上記実施形態に係る内燃機関１は、ロッカーアーム４３，４７を用いて吸気弁１５及び排気弁１７の開閉動作を停止させているが、吸気弁１５及び排気弁１７を電子制御式の弁として開閉動作を制御してもよい。

＜１−４．変形例＞
次に、本実施形態に係る内燃機関の変形例を説明する。

図３は、本実施形態に係る内燃機関の変形例を示す模式図である。変形例に係る内燃機関１Ａでは、燃料改質装置６７を備える還流通路８２は、排気通路６１と吸気コレクタ５５とを接続している。還流通路８２は、吸気コレクタ５５よりも上流側の吸気管５３に接続されていてもよい。

図４は、変形例に係る内燃機関１Ａの気筒休止制御の対象である気筒３に備えられた吸気弁１５、排気弁１７、循環制御弁７１及び排出制御弁７３の開閉動作の一例を示す説明図である。図４中、行程ａは吸気行程、行程ｂは圧縮行程、行程ｃは燃焼行程、行程ｄは排気行程を示す。

また、気筒休止制御がオンの期間、循環制御弁７１は開いた状態で保持される。これにより、吸気には水素を含む循環気が混合される。気筒休止制御がオンの期間、ピストン１１の下降行程に当たる吸気行程ａでは吸気弁１５が開かれる。これにより、吸気通路５１を介して二酸化炭素を含む大気と水素を含む循環気とが混合された吸気が燃焼室５内に導入される。

吸気行程ａの後のピストン１１の上昇行程に当たる圧縮行程ｂでは吸気弁１５が閉じられ、燃焼室５内の圧力が上昇する。この圧縮行程ｂにおいて、吸気に混合された排気熱及び高圧の条件下、上記式（１）にしたがって二酸化炭素と水素が反応し、メタノールが生成される。

圧縮行程ｂの後の燃焼行程ｃでは引き続き吸気弁１５及び排出制御弁７３が閉じられたままで、燃焼を生じることなくピストン１１が下降する。燃焼行程ｃの後のピストン１１の上昇行程に当たる排気行程ｄでは、排出制御弁７３が開かれる。排気行程ｄでは、燃焼室５の体積の減少に伴って、生成されたメタノールを含むメタノール混合気が排気通路６１へと排出される。

気筒休止制御の対象となる気筒３では、気筒休止制御がオンの期間に、各行程において上記の動作が繰り返され、大気中の二酸化炭素が削減される。したがって、気筒休止制御によって燃料噴射量が削減されることによる二酸化炭素の削減以上に、大気中の二酸化炭素を削減することができる。また、変形例に係る内燃機関１Ａは、二酸化炭素と水素との反応により生成されるメタノールを燃料タンク８９に回収するため、生成されたメタノールを内燃機関１Ａの燃料として利用することができる。

また、変形例に係る内燃機関１Ａでは、水素を含む循環気が混合された吸気が、気筒休止制御の対象でない気筒にも導入される。このため、当該気筒における燃焼効率及び燃焼速度の向上が図られ、内燃機関１Ａの効率の向上にも寄与することができる。

また、図４に示した例では、吸気、圧縮、燃焼及び排気の４行程を１期間として、全期間において休止制御の対象である気筒３の燃焼室５に、循環気を含む吸気を導入してメタノールを生成している。このため、吸気弁１５の開弁動作を停止するためのロッカーアーム４３が省略されていてもよい。

また、図４に示した例では、吸気、圧縮、燃焼及び排気の４行程を１期間として、全期間において休止制御の対象である気筒３の燃焼室５に、循環気を含む吸気を導入してメタノールを生成しているが、８行程を１期間として、吸気の導入から、メタノールを含むメタノール混合気の排出までの間隔を長くしてもよい。この場合、燃焼室５に大気の導入を行わない吸気行程において、吸気弁１５の開弁動作が停止される。これにより、一度に導入された大気中の二酸化炭素のうち水素と反応する二酸化炭素の割合を増加させることができる。

また、変形例に係る内燃機関１Ａは、ロッカーアーム４３，４７を用いて吸気弁１５及び排気弁１７の開閉動作を停止させているが、吸気弁１５及び排気弁１７を電子制御式の弁として開閉動作を制御してもよい。

＜＜２．第２の実施の形態＞＞
＜２−１．内燃機関の構成例＞
次に、図５及び図６を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の構成の一例について説明する。以下、本実施形態に係る内燃機関１００について、主として第１の実施の形態に係る内燃機関１と異なる点を説明する。

図５は、本実施形態に係る内燃機関１００の構成例を概略的に示す模式図である。本実施形態に係る内燃機関１００は、図１に示した第１の実施の形態に係る内燃機関１から排出通路８３、排出制御弁７３、冷却器８４及び気液分離器８５が省略されている。また、本実施形態に係る内燃機関１００は、電子制御式の吸気弁１５を備える。具体的に、吸気弁１５は、例えば電磁ソレノイド等のアクチュエータ１０１を有し、制御装置２００による通電制御により開閉動作を行う。電子制御式の吸気弁１５とすることにより、吸気カム４１による開閉動作に比べて自由に吸気弁１５の開弁時期及び開弁期間を設定することができる。

図６は、本実施形態に係る内燃機関１００の４つの気筒３ａ〜３ｄを示す模式図である。図６において、排気系の図示は省略されている。４つの気筒３ａ〜３ｄには、それぞれ吸気ポート３１ａ〜３１ｄ及び図示しない排気ポートが接続されている。４つの気筒３ａ〜３ｄは、それぞれ吸気弁１５ａ〜１５ｄ及び排気弁１７ａ〜１７ｄを備えている。

４つの気筒のうち、第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄが気筒休止制御の対象となっている。第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄは、それぞれ排気通路６１に連通する還流通路８１ａ，８１ｂが接続されている。還流通路８１ａ，８１ｂには、燃料改質装置６７及び循環制御弁７１ａ，７１ｂが設けられている。

本実施形態に係る内燃機関１００は、４気筒の火花点火式ガソリンエンジンであり、第１の気筒３ａ、第３の気筒３ｃ、第４の気筒３ｄ、第２の気筒３ｂの順に燃焼を繰り返す。これらの４つの気筒のうち、第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄが気筒休止制御の対象となっており、気筒休止制御中においては第２の気筒３ｂ及び第３の気筒３ｃにより駆動トルクが発生する。

＜２−２．内燃機関の動作例＞
図７は、４つの気筒３ａ（＃１），３ｂ（＃２），３ｃ（＃３），３ｄ（＃４）に備えられた吸気弁１５ａ〜１５ｄ、排気弁１７ａ〜１７ｄ及び循環制御弁７１ａ〜７１ｂの開閉動作の一例を示す説明図である。図７中、行程ａは吸気行程、行程ｂは圧縮行程、行程ｃは燃焼行程、行程ｄは排気行程を示す。

気筒休止制御がオフの期間、各気筒３ａ〜３ｄにおいて、吸気弁１５ａ〜１５ｄは吸気行程ａにおいて開かれ、排気弁１７ａ〜１７ｄは排気行程ｂにおいて開かれる。この期間において、第１の気筒３ａ及び第３の気筒３ｄの循環制御弁７１ａ，７１ｂは閉じた状態で保持される。したがって、気筒休止制御がオフの期間には、気筒休止制御の対象の気筒３ａ，３ｄにおいても、気筒休止制御の対象外の気筒３ｂ，３ｃと同様に燃焼制御が行われる。

気筒休止制御がオンの期間、気筒休止制御の対象でない第２の気筒３ｂ及び第３の気筒３ｃでは、気筒休止制御がオフの期間と同様に燃焼制御が継続される。一方、気筒休止制御がオンの期間、第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄの排気弁１７ａ，１７ｄは閉じた状態で保持される。具体的には、排気カム４５と排気弁１７ａ，１７ｄとの間のロッカーアーム４７が作動することによって、排気カム４５による排気弁１７ａ，１７ｄの押し込みが解放される。ただし、図７に示した例では、気筒休止制御がオンになった直後の第４の気筒３ｄの排気行程において、直前の燃焼行程で生じた排気を排気通路６１に排出するために排気弁１７ｄが開かれている。

また、気筒休止制御がオンの期間、第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄでは、ピストン１１の下降行程に当たる吸気行程ａにおいて吸気弁１５ａ，１５ｄ及び循環制御弁７１ａ，７１ｂが開かれる。これにより、吸気通路５１を介して二酸化炭素を含む大気が燃焼室５に導入されるとともに、水素を含む循環気が燃焼室５内に導入される。第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄでは、吸気行程ａの後のピストン１１の上昇行程に当たる圧縮行程ｂにおいて吸気弁１５ａ，１５ｄ及び循環制御弁７１ａ，７１ｂがともに閉じられ、燃焼室５内の圧力が上昇する。この圧縮行程ｂにおいて、導入された排気熱及び高圧の条件下、上記式（１）にしたがって二酸化炭素と水素が反応し、メタノールが生成される。

そして、ピストン１１が上死点に到達する直前の圧縮行程ｂの終期において、循環制御弁７１ａ，７１ｂを閉じたままで吸気弁１５ａ，１５ｄが短時間開かれる。これにより、生成されたメタノールを含むメタノール混合気が吸気コレクタ５５に戻される。第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄでは、圧縮行程ｂの後の燃焼行程ｃ及び排気行程ｄにおいてすべての弁が閉じられたままで保持される。

気筒休止制御の対象となる第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄでは、気筒休止制御がオンの期間に、各行程において上記の動作が繰り返され、大気中の二酸化炭素が削減される。したがって、気筒休止制御によって燃料噴射量が削減されることによる二酸化炭素の削減以上に、大気中の二酸化炭素を削減することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関１００は、二酸化炭素と水素との反応により生成されるメタノールを含むメタノール混合気を吸気コレクタ５５に戻すため、生成されたメタノールが気筒休止制御の対象でない第２の気筒３ｂ及び第３の気筒３ｃに導入される。これにより、生成されたメタノールを内燃機関１００の燃料として利用することができる。このとき、排気通路６１から燃焼室５に戻された循環気中の水素がメタノールの合成に用いられずに残留していた場合、当該水素も併せて気筒休止制御の対象でない気筒に導入される。このため、当該気筒における燃焼効率及び燃焼速度の向上が図られ、内燃機関１００の効率の向上にも寄与することができる。

また、図７に示した例では、気筒休止制御の対象の第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄにおいて、吸気、圧縮、燃焼及び排気の４行程を１期間として、全期間において燃焼室５に循環気を導入してメタノールを生成しているが、８行程を１期間として、循環気及び大気の導入から、メタノールを含むメタノール混合気を吸気コレクタ５５に戻すまでの間隔を長くしてもよい。この場合、燃焼室５に大気の導入を行わない吸気行程において、吸気弁１５の開弁動作が停止される。これにより、一度に導入された大気中の二酸化炭素のうち水素と反応する二酸化炭素の割合を増加させることができる。

また、本実施形態に係る内燃機関１００は、ロッカーアーム４７を用いて排気弁１７ａ，１７ｄの開閉動作を停止させているが、排気弁１７ａ，１７ｄを電子制御式の弁として開閉動作を制御してもよい。

＜２−３．変形例＞
次に、本実施形態に係る内燃機関の変形例を説明する。

図８及び図９は、本実施形態に係る内燃機関の変形例を示す模式図である。変形例に係る内燃機関１００Ａでは、燃料改質装置６７を備える還流通路９１は、排気通路６１と吸気コレクタ５５よりも上流側の吸気管５３とを接続している。還流通路９１は、吸気コレクタ５５に接続されていてもよい。

図１０は、４つの気筒３ａ（＃１），３ｂ（＃２），３ｃ（＃３），３ｄ（＃４）に備えられた吸気弁１５ａ〜１５ｄ及び排気弁１７ａ〜１７ｄと、還流通路９１に設けられた循環制御弁９３の開閉動作の一例を示す説明図である。図１０中、行程ａは吸気行程、行程ｂは圧縮行程、行程ｃは燃焼行程、行程ｄは排気行程を示す。

気筒休止制御がオフの期間、循環制御弁９３は閉じられた状態で保持される。この期間、各気筒３ａ〜３ｄにおいて、吸気弁１５ａ〜１５ｄは吸気行程ａにおいて開かれ、排気弁１７ａ〜１７ｄは排気行程ｂにおいて開かれる。気筒休止制御がオフの期間には、気筒休止制御の対象の気筒３ａ，３ｄにおいても、気筒休止制御の対象外の気筒３ｂ，３ｃと同様に燃焼制御が行われる。

気筒休止制御がオンの期間、循環制御弁９３は開いた状態で保持される。これにより、吸気には水素を含む循環気が混合される。気筒休止制御がオンの期間、気筒休止制御の対象でない第２の気筒３ｂ及び第３の気筒３ｃでは、気筒休止制御がオフの期間と同様に燃焼制御が継続される。

一方、気筒休止制御がオンの期間、気筒休止制御の対象である第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄの排気弁１７ａ，１７ｄは閉じた状態で保持される。具体的には、排気カム４５と排気弁１７ａ，１７ｄとの間のロッカーアーム４７が作動することによって、排気カム４５による排気弁１７ａ，１７ｄの押し込みが解放される。ただし、図１０に示した例では、気筒休止制御がオンになった直後の第４の気筒３ｄの排気行程において、直前の燃焼行程で生じた排気を排気通路６１に排出するために排気弁１７ｄが開かれている。

また、気筒休止制御がオンの期間、第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄでは、ピストン１１の下降行程に当たる吸気行程ａにおいて吸気弁１５ａ，１５ｄが開かれる。これにより、吸気通路５１を介して二酸化炭素を含む大気と水素を含む循環気とが混合された吸気が燃焼室５に導入される。第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄでは、吸気行程ａの後のピストン１１の上昇行程に当たる圧縮行程ｂにおいて吸気弁１５ａ，１５ｄが閉じられ、燃焼室５内の圧力が上昇する。この圧縮行程ｂにおいて、吸気に混合された排気熱及び高圧の条件下、上記式（１）にしたがって二酸化炭素と水素が反応し、メタノールが生成される。

そして、ピストン１１が上死点に到達する直前の圧縮行程ｂの終期において、吸気弁１５ａ，１５ｄが短時間開かれる。これにより、生成されたメタノールを含むメタノール混合気が吸気コレクタ５５に戻される。第１の気筒３ａ及び第４の気筒３ｄでは、圧縮行程ｂの後の燃焼行程ｃ及び排気行程ｄにおいてすべての弁が閉じられたままで保持される。

また、変形例に係る内燃機関１００Ａは、二酸化炭素と水素との反応により生成されるメタノールを含むメタノール混合気を吸気コレクタ５５に戻すため、生成されたメタノールが気筒休止制御の対象でない第２の気筒３ｂ及び第３の気筒３ｃに導入される。これにより、生成されたメタノールを内燃機関１００Ａの燃料として利用することができる。また、吸気に含まれる水素も併せて気筒休止制御の対象でない第２の気筒３ｂ及び第３の気筒３ｃに導入される。このため、当該気筒における燃焼効率及び燃焼速度の向上が図られ、内燃機関１００Ａの効率の向上にも寄与することができる。

また、変形例に係る内燃機関１００Ａは、ロッカーアーム４７を用いて排気弁１７ａ，１７ｄの開閉動作を停止させているが、排気弁１７ａ，１７ｄを電子制御式の弁として開閉動作を制御してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１内燃機関
３気筒
５燃焼室
１５吸気弁
１７排気弁
５１吸気通路
５５吸気コレクタ
６１排気通路
６７燃料改質装置（水素生成装置）
６８燃料噴射器
６９改質触媒
７１循環制御弁
７３排出制御弁
８１還流通路
８３排出通路
８４冷却器
８５気液分離器

Claims

一部の気筒での燃焼を停止させる気筒休止制御を実行可能な内燃機関において、
前記内燃機関の排気中に水素を混合する水素生成装置と、
前記水素生成装置により生成された水素を含む循環気を前記気筒休止制御の対象である休止気筒に戻すための還流通路と、
前記還流通路を開閉する循環制御弁と、
を備える、内燃機関。
前記還流通路が前記休止気筒の燃焼室に接続される、請求項１に記載の内燃機関。
前記休止気筒のピストンの下降行程において、前記循環制御弁が開弁される、請求項２に記載の内燃機関。
前記還流通路が、前記内燃機関の吸気通路に接続される、請求項１に記載の内燃機関。
前記休止気筒のピストンの下降行程において、前記休止気筒の吸気弁が開弁される、請求項４に記載の内燃機関。
前記休止気筒の燃焼室に接続され、前記休止気筒で吸気及び前記循環気から生成されたメタノールを含むメタノール混合気を排出するための排出通路と、
前記排出通路を開閉する排出制御弁と、
を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記休止気筒のピストンの上昇行程において、前記排出制御弁が開弁される、請求項６に記載の内燃機関。
前記排出通路に、前記メタノール混合気から前記メタノールを分離する冷却器及び気液分離器を備える、請求項６又は７に記載の内燃機関。
前記休止気筒のピストンの上昇行程において、前記休止気筒の吸気弁が開弁され、前記休止気筒で吸気及び前記循環気から生成されたメタノールを含むメタノール混合気が吸気通路に戻される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。