JP2023125334A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】水素を含むガス燃料を採用し、１つの燃焼サイクルにおける失火の発生による損傷を抑制することができる。【解決手段】内燃機関は、水素を含むガス燃料が供給される燃焼室と、燃焼室内のガス燃料に点火するように構成された点火装置と、点火装置の所定の点火タイミングにおける点火動作の実行を制御する制御装置と、を備え、所定の点火タイミングは、１燃焼サイクルのうち初めて点火動作を行う初点火タイミングと、１燃焼サイクルのうち初点火タイミングより後に点火動作を行う後点火タイミングと、を含む。【選択図】図２

Description

本開示は、内燃機関に関する。

ガスエンジンなどの内燃機関は、燃焼室内のガス燃料が燃焼しない現象（いわゆる失火）が発生すると、未燃のガス燃料が燃焼室から排出され、この未燃のガス燃料が排気系を流通する虞がある。特許文献１には、複数の燃焼サイクルの筒内圧力のばらつきから内燃機関の失火を判定する失火検出装置が開示されている。

特開２０１２－０３１７６６号公報

ところで、水素は従来からのガス燃料に含まれる成分（例えば、都市ガスに含まれるメタンやＬＰＧに含まれるプロパン）と比較して燃焼速度が大きい。このため、ガス燃料に水素が含まれている場合、１つの燃焼サイクルにおける失火の発生によって燃焼室から排出された未燃のガス燃料であっても、排気系で引火する可能性がある。未燃のガス燃料が排気系で引火すると、急激な圧力上昇によって排気系が損傷したり、排気行程と吸気行程とが重複するオーバーラップ時期に火炎が吸気系に逆流し、吸気系が損傷したりする虞がある。

本開示は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、水素を含むガス燃料を採用する内燃機関であって、１つの燃焼サイクルにおける失火の発生による損傷を抑制可能な内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る内燃機関は、水素を含むガス燃料が供給される燃焼室と、前記燃焼室内の前記ガス燃料に点火するように構成された点火装置と、前記点火装置の所定の点火タイミングにおける点火動作の実行を制御する制御装置と、を備え、前記所定の点火タイミングは、１燃焼サイクルのうち初めて点火動作を行う初点火タイミングと、前記１燃焼サイクルのうち前記初点火タイミングより後に点火動作を行う後点火タイミングと、を含む。

本開示の内燃機関によれば、水素を含むガス燃料を採用し、１つの燃焼サイクルにおける失火の発生による損傷を抑制することができる。

第１実施形態に係る内燃機関の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態に係る点火装置の所定の点火タイミングを説明するための図である。 第２実施形態に係る内燃機関の構成を概略的に示す図である。 圧力とクランク角との関係を示すグラフである。 第３実施形態に係る内燃機関の構成を概略的に示す図である。

以下、本開示の実施の形態による内燃機関について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

＜第１実施形態＞
（構成）
図１は、第１実施形態に係る内燃機関１の構成を概略的に示す図である。図１に例示するように、内燃機関１は、水素を含むガス燃料Ｆが供給される燃焼室２と、燃焼室２内のガス燃料Ｆに点火するように構成された点火装置４と、点火装置４の所定の点火タイミングにおける点火動作の実行を制御する制御装置６と、を含む。

本開示において、「水素を含むガス燃料Ｆ」には、水素と水素以外の燃料を含むもの（混焼）と、水素のみ（専焼）とがあり、さらに、水素と水素以外の燃料を含むものでも、水素が主たる燃料（水素の体積割合が５０％以上）、水素以外の燃料が主たる燃料（水素の体積割合が５０％未満）に区分できる。「水素を含むガス燃料Ｆ」とは、これらの場合をすべて含む。

燃焼室２は、筒状のシリンダ８と、シリンダ８の内部に配置されるピストン１０と、を含む。燃焼室２は、シリンダ８の内面とピストン１０の上面とによって画定される主室１２にガス燃料Ｆが供給されるようになっている。ピストン１０は、コネクティングロッド１３を介してクランクシャフト１４に連結されており、ピストン１０の往復動が回転に変換されるようになっている。このクランクシャフト１４は、後述する１燃焼サイクルＣ中に２回転する。

第１実施形態では、図１に例示するように、内燃機関１は、燃焼室２に空気Ａを送るための吸気流路１６と、吸気流路１６を流通する空気Ａを圧縮する圧縮機１８と、燃焼室２から排出される排気Ｇを内燃機関１の外部に排出するための排気流路２２と、排気流路２２を流通する排気Ｇによって回転駆動されるタービン２４と、を含む。

吸気流路１６は、一端が大気に開放され、他端が主室１２に開放されている。吸気流路１６の一端から流入した空気Ａは、吸気流路１６を主室１２に向かって流通する。つまり、吸気流路１６は、一端に空気Ａが流入する入口が形成され、他端に空気Ａが流出する出口が形成されている。以下、吸気流路１６の出口を吸気ポート１９とする。吸気流路１６には、吸気ポート１９を開閉する吸気弁１７が設けられている。

排気流路２２は、一端が主室１２に開放され、他端が大気に開放されている。排気流路２２の一端から流入した排気Ｇは、排気流路２２を排気流路２２の他端（大気）に向かって流通する。つまり、排気流路２２は、一端に排気Ｇが流入する入口が形成され、他端に排気Ｇが流出する出口が形成されている。以下、排気流路２２の入口を排気ポート２５とする。排気流路２２には、排気ポート２５を開閉する排気弁２３が設けられている。

図１に例示する形態では、圧縮機１８は吸気流路１６に設けられ、タービン２４は排気流路２２に設けられている。圧縮機１８とタービン２４とは同軸に構成されおり、タービン２４が回転駆動することで圧縮機１８が吸気流路１６を流通する空気Ａを圧縮する。

図１に例示する形態では、内燃機関１は、吸気流路１６に設けられ、吸気流路１６にガス燃料Ｆを供給するガス燃料供給装置２０を含んでいる。ガス燃料供給装置２０は、吸気流路１６において圧縮機１８よりも燃焼室２側に位置している。つまり、ガス燃料供給装置２０は、圧縮機１８によって圧縮された空気Ａにガス燃料Ｆを混合させる。このように第１実施形態に係る内燃機関１は、空気Ａとガス燃料Ｆとを混合させた混合気を燃焼する予混合燃焼を採用している。尚、幾つかの実施形態では、内燃機関１は、非圧縮の空気Ａ（大気圧の空気）とガス燃料Ｆとを混合させる混合気を燃焼するように構成されている。

図１に例示する形態では、ガス燃料供給装置２０は、吸気流路１６において吸気弁１７よりも圧縮機１８側に位置している。不図示であるが、幾つかの実施形態では、内燃機関１は、圧縮機１８より吸気流路１６の燃焼室２側に設けられ、圧縮機１８が圧縮した空気Ａを冷却するエアクーラを含む。この場合、ガス燃料供給装置２０は、エアクーラより吸気流路１６の燃焼室２側に位置する。

点火装置４は、主室１２に配置される点火プラグ２１を含んでおり、点火プラグ２１から火花放電することで主室１２内のガス燃料Ｆ（混合気）を着火燃焼させ、火炎を発生させる。

制御装置６は、電子制御装置などのコンピュータであって、図示しないＣＰＵやＧＰＵといったプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリ、及びＩ／Ｏインターフェイスなどを備える。制御装置６は、メモリにロードされたプログラムの命令に従ってプロセッサが動作（演算等）することで、制御装置６が備える各機能部を実現する。

図１に例示する形態では、制御装置６は、点火装置４と電気的に接続されている点火部５０を含んでいる。点火部５０は、点火装置４に点火信号Ｓ１を送信する。点火装置４は、点火信号Ｓ１を受信すると、点火プラグ２１から火花放電させて、主室１２内のガス燃料Ｆを着火燃焼させる。このように、制御装置６は、点火信号Ｓ１を送信することで点火装置４の所定の点火タイミングにおける点火動作の実行を制御可能となっている。

図１に例示する形態では、内燃機関１は、クランクシャフト１４の回転角度Ｓ２を検出する角度センサ２６を含んでいる。制御装置６は、角度センサ２６と電気的に接続されているクランク角検知部５２を含んでいる。クランク角検知部５２は、角度センサ２６から回転角度Ｓ２を取得してクランク角θ（０度≦θ≦７２０度）に変換する。点火部５０は、クランク角検知部５２が所定のクランク角θを取得したタイミングで、点火装置４に点火信号Ｓ１を送信する。そして、点火装置４は、点火信号Ｓ１の受信と同時に、又は点火信号Ｓ１を受信して即座に、点火動作を実行する。

点火装置４の所定の点火タイミングについて説明する。図２は、第１実施形態に係る点火装置４の所定の点火タイミングを説明するための図であって、１燃焼サイクルＣが図示されている。図２に例示するように、１燃焼サイクルＣは、吸気行程Ｐ１と、圧縮行程Ｐ２と、燃焼行程Ｐ３と、排気行程Ｐ４と、を含む。

図２に例示する形態では、１燃焼サイクルＣは、吸気行程Ｐ１の開始から排気行程Ｐ４の終了までであり、吸気行程Ｐ１、圧縮行程Ｐ２、燃焼行程Ｐ３、排気行程Ｐ４の順に実行される。図２には、１燃焼サイクルＣにおいて、ピストン１０が上死点（ＴＤＣ）に到達するタイミングと下死点（ＢＤＣ）に到達するタイミングとが図示されている。本開示では、吸気行程Ｐ１においてピストン１０が上死点（ＴＤＣ）に到達しているときのクランク角θを０度とする。クランク角θは、吸気行程Ｐ１から排気行程Ｐ４に進むにつて増加し、排気行程Ｐ４においてピストン１０が上死点（ＴＤＣ）にと到達しているときのクランク角θを７２０度とする。

吸気行程Ｐ１では、ガス燃料Ｆ（混合気）を主室１２内に吸入する。図２に例示する形態では、吸気行程Ｐ１は、吸気ポート１９が開くタイミングｔ１で開始し、吸気ポート１９が閉じるタイミングｔ２で終了している。ピストン１０が吸気行程Ｐ１の間に上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）に向けて移動することで、混合気が主室１２内に吸入される。吸気行程Ｐ１では、排気ポート２５が閉じられるが、排気ポート２５は吸気ポート１９が開くと同時に閉じられてもよいし、吸気ポート１９が開いた後に閉じられてもよい。

圧縮行程Ｐ２では、主室１２内の混合気を圧縮する。図２に例示する形態では、圧縮行程Ｐ２は、上述したタイミングｔ２で開始し、ピストン１０が上死点（いわゆる圧縮上死点）に到達したタイミングｔ３で終了している。ピストン１０が下死点（ＢＤＣ）から上死点（ＢＤＣ）に向けて移動することで、主室１２内の混合気が圧縮されている。

燃焼行程Ｐ３では、圧縮行程Ｐ２で圧縮した混合気を燃焼する。図２に例示する形態では、燃焼行程Ｐ３は、上述したタイミングｔ３で開始する。このタイミングｔ３は、１燃焼サイクルＣのうち初めて点火装置４が点火動作を行う初点火タイミングｔ３である。つまり、１燃焼サイクルＣにおいて、制御装置６の点火部５０は、クランク角検知部５２が３６０度のクランク角θを取得したタイミングで、点火装置４に点火信号Ｓ１を初めて送信している。燃焼行程Ｐ３では、圧縮した混合気に点火プラグ２１の火花で着火させ、混合気の燃焼（膨張）によってピストン１０を下死点（ＢＤＣ）に向かって押し下げている。燃焼行程Ｐ３は、排気ポート２５が開くタイミングｔ４で終了する。排気ポート２５は、ピストン１０が下死点に到達するよりも前に開けられている。つまり、タイミングｔ４は、ピストン１０が下死点に到達するよりも前である。

排気行程Ｐ４では、混合気の燃焼によって生成された生成ガスを排気Ｇとして主室１２から排出する。図２に例示する形態では、排気行程Ｐ４は、上述したタイミングｔ４で開始し、排気ポート２５が閉じるタイミングｔ５で終了している。ピストン１０が下死点（ＢＤＣ）から上死点（ＢＤＣ）に向けて移動することで、主室１２内の生成ガスが主室１２外に排気Ｇとして排出されている。第１実施形態では、図２に例示するように、排気行程Ｐ４の一部と１燃焼サイクルＣの次の燃焼サイクルにおける吸気行程Ｐ１１の一部とが互いに重なりあっている。

点火装置４の所定の点火タイミングは、上述した初点火タイミングｔ３に加え、後点火タイミングｔａを含む。後点火タイミングｔａは、１燃焼サイクルＣのうち初点火タイミングｔ３より後である。第１実施形態では、図２に例示するように、後点火タイミングｔａは、第１後点火タイミングｔａ１（ｔａ）と、第２後点火タイミングｔａ２（ｔａ）と、を含んでいる。

第１後点火タイミングｔａ１は、１燃焼サイクルＣの燃焼行程Ｐ３に含まれる。第１実施形態では、第１後点火タイミングｔａ１は、１５°ＡＴＤＣから２５°ＡＴＤＣまでの第１範囲Ｒ１内に含まれる。言い換えると、第１後点火タイミングｔａ１は、１燃焼サイクルＣにおいてピストン１０が２回目の上死点（圧縮上死点）に到達してからクランクシャフト１４が１５度から２５度（クランク角θが３７５度から３８５度）まで回転する期間に含まれている。制御装置６の点火部５０は、クランク角検知部５２が、例えば、３８０度のクランク角θを取得したタイミング（第１後点火タイミングｔａ１）で、点火装置４に点火信号Ｓ１を送信している。そして、点火装置４は、第１後点火タイミングｔａ１で点火動作を実行している。以下では、クランク角θが３８０度であるタイミングは、第１後点火タイミングｔａ１と同一のタイミングでるあるとして説明する。

第２後点火タイミングｔａ２は、１燃焼サイクルＣの排気行程Ｐ４に含まれる。第１実施形態では、図２に例示するように、第２後点火タイミングｔａ２は、排気行程Ｐ４が開始した直後であり、例えば、タイミングｔ４から１燃焼サイクルＣにおいてピストン１０が２回目の下死点（クランク角θが５４０度）に到達するまでの期間に含まれている。制御装置６の点火部５０は、クランク角検知部５２が、例えば、５３５度のクランク角θを取得したタイミング（第２後点火タイミングｔａ２）で、点火装置４に点火信号Ｓ１を送信している。そして、点火装置４は、第２後点火タイミングｔａ２で点火動作を実行している。以下では、クランク角θが５３５度であるタイミングは、第２後点火タイミングｔａ２と同一のタイミングであるとして説明する。

（作用・効果）
第１実施形態に係る内燃機関１の作用・効果について説明する。水素は従来からのガス燃料に含まれる成分（例えば、都市ガスに含まれるメタンやＬＰＧに含まれるプロパン）と比較して燃焼速度が大きい。このため、１燃焼サイクルＣにおける失火の発生によって主室１２から排出された未燃のガス燃料Ｆであっても、この１燃焼サイクルＣの次の燃焼サイクルから排出される排気Ｇと接触することによって、排気流路２２内で引火する可能性がある。引火が発生すると、急激な圧力上昇によって排気流路２２やタービン２４が損傷する虞がある。また、排気行程Ｐ４の一部と吸気行程Ｐ１１の一部とが重複するオーバーラップ時期に火炎が吸気流路１６に逆流し、吸気流路１６が損傷する虞がある。

これに対して、第１実施形態によれば、点火装置４は、失火の有無に関係なく、１燃焼サイクルＣのうち初点火タイミングｔ３より後の第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２のそれぞれで点火動作を行う。このため、１燃焼サイクルＣにおける失火の発生に関わらず、主室１２内の混合気（水素）が燃焼されるので、１燃焼サイクルＣにおける失火の発生（水素の引火）による吸気流路１６の損傷や排気流路２２の損傷を抑制することができる。

第１実施形態によれば、点火装置４が第１後点火タイミングｔａ１で点火動作を実行するので、初点火タイミングｔ３における点火動作では燃焼しきらなかった未燃のガス燃料Ｆを、同一の１燃焼サイクルＣにおける燃焼行程Ｐ３で燃焼させ、主室１２から排出される未燃のガス燃料Ｆの量を抑制することができる。

第１後点火タイミングｔａ１が１５°ＡＴＤＣ（クランクシャフト１４が圧縮上死点から１５度回転する）よりも前であると、シリンダ８内の圧力Ｐｒが十分に高くないため、失火の有無を評価しにくい。一方で、第１後点火タイミングｔａ１が２５°ＡＴＤＣ（クランクシャフト１４が圧縮上死点から２５度回転する）よりも後であると、排気ポート２５が開くタイミングｔ４までの時間が短いため、未燃のガス燃料Ｆの燃焼が不十分となる可能性がある。第１実施形態によれば、第１後点火タイミングを１５°ＡＴＤＣから２５°ＡＴＤＣまでの範囲とすることで、失火の有無の評価を容易にしつつ、未燃のガス燃料Ｆの発生を抑制することができる。

第１実施形態によれば、点火装置４が第２後点火タイミングｔａ２で点火動作を実行するので、初点火タイミングｔ３における点火動作や第１後点火タイミングにおける点火動作では燃焼しきらなかった未燃のガス燃料Ｆを、同一の１燃焼サイクルＣにおける排気行程Ｐ４で燃焼させ、主室１２から排出される未燃のガス燃料Ｆの量を抑制することができる。

尚、第１実施形態では、後点火タイミングｔａは、第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２の両方を含んでいたが、本開示はこの形態に限定されない。幾つかの実施形態では、後点火タイミングｔａは、第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２のうちの何れか一方を含む。

尚、第１実施形態では、後点火タイミングｔａは、１つの第１後点火タイミングｔａ１及び１つの第２後点火タイミングｔａ２を含んでいたが、本開示はこの形態に限定されない。幾つかの実施形態では、後点火タイミングｔａは、複数の第１後点火タイミングｔａ１を含む。幾つかの実施形態では、後点火タイミングｔａは、複数の第２後点火タイミングｔａ２を含む。

＜第２実施形態＞
本開示の第２実施形態に係る内燃機関１について説明する。第２実施形態に係る内燃機関１は、第１実施形態に係る内燃機関１に失火検知装置２８を加えたものである。第２実施形態において、第１実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

（構成）
図３は、第２実施形態に係る内燃機関１の構成を概略的に示す図である。図３に例示するように、内燃機関１は、１燃焼サイクルＣにおける燃焼室２内の失火を検知する失火検知装置２８をさらに含む。制御装置６は、失火検知装置２８が燃焼室２内の失火を検知した場合、点火装置４の後点火タイミングｔａにおける点火動作を実行するように構成される。また、制御装置６は、失火検知装置２８が燃焼室２内の失火を非検知である場合、点火装置４の後点火タイミングｔａにおける点火動作を停止するように構成される。

第２実施形態では、制御装置６が失火検知装置２８を含んでいる。制御装置６と失火検知装置２８とは一体に構成されている。幾つかの実施形態では、制御装置６と失火検知装置２８とは別体に構成されている。失火検知装置２８（制御装置６）は、シリンダ８内の圧力Ｐｒを検出可能な圧力センサ２９と電気的に接続されている失火判定部５４をさらに含んでいる。失火判定部５４は、圧力センサ２９から取得した圧力Ｐｒに基づいて、主室１２内に失火が発生しているか否かを判定する。

失火判定部５４による失火の判定方法の一例について説明する。図４は、圧力Ｐｒとクランク角θとの関係を示すグラフである。図４に示すグラフは、横軸がクランク角θであり、縦軸が圧力Ｐｒである。図４には、３つの燃焼サイクルのそれぞれの圧力Ｐｒが図示されている。第１の燃焼サイクルＣ１は実線で図示され、第２の燃焼サイクルＣ２は一点鎖線で図示され、第３の燃焼サイクルＣ３は点線で図示されている。

図４に例示するように、クランク角θが３６０度以上３７５度以下の範囲を第２範囲Ｒ２とする。言い換えると、第２範囲Ｒ２は、１燃焼サイクルＣにおける２回目の上死点（圧縮上死点）からクランクシャフト１４が１５度回転するまでの期間である。幾つかの実施形態では、第２範囲Ｒ２は、１燃焼サイクルＣの初点火タイミングｔ３より後、且つ第１後点火タイミングｔａ１より前である。

失火判定部５４は、第２範囲Ｒ２における最大圧力Ｐｍａｘが予め設定されている閾値Ｐｔ以下であると失火が発生していると判定し、最大圧力Ｐｍａｘが閾値Ｐｔを超えている場合には失火が発生していないと判定する。図４に例示する場合には、失火判定部５４は、第１の燃焼サイクルＣ１及び第２の燃焼サイクルＣ２に対しては失火が発生していないと判定し、第３の燃焼サイクルＣ３に対しては失火が発生していると判定する。

第２実施形態では、制御装置６の点火部５０は、失火判定部５４が失火を判定すると、第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２（クランク角θが３８０度であるタイミングと５３５度であるタイミング）の両方で、点火装置４に点火信号Ｓ１を送信する。そして、点火装置４は、第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２の両方で点火動作を実行する。図４に例示する場合には、第３の燃焼サイクルＣ３において、第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２のそれぞれにおける点火装置４の点火動作が実行される。

第２実施形態では、制御装置６の点火部５０は、失火判定部５４が失火を判定していない場合には、第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２（クランク角θが３８０度であるタイミングと５３５度であるタイミング）の両方で、点火装置４に点火信号Ｓ１を送信しない。このため、点火装置４は、第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２の両方で点火動作を実行しない。図４に例示する場合には、第１の燃焼サイクルＣ１及び第２の燃焼サイクルＣ２の両方において、第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２のそれぞれにおける点火装置４の点火動作が停止される。

（作用・効果）
第２実施形態に係る内燃機関１の作用・効果について説明する。第２実施形態によれば、第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２のそれぞれにおける点火装置４の点火動作は、失火検知装置２８が主室１２内の失火を非検知である場合には行われない。このため、失火の有無に関係なく第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２のそれぞれにおける点火装置４の点火動作が行われる場合と比較して、点火装置４の製品寿命を長くすることができる。

上述したように、水素は燃焼速度が大きいので、１燃焼サイクルＣにおける未燃のガス燃料Ｆであっても、主室１２から排気流路２２に排出される量が抑制されていることが望ましい。第２実施形態によれば、１燃焼サイクルＣのうちに失火判定が行われ、失火と判定された場合には、この１燃焼サイクルにおける第１後点火タイミングｔａ１及び第２後点火タイミングｔａ２のそれぞれで点火装置４の点火動作が行われる。このため、１燃焼サイクルＣにおける未燃のガス燃料Ｆが排気流路２２に排出される量を抑制することができる。

尚、第２実施形態では、失火検知装置２８は、最大圧力Ｐｍａｘが閾値Ｐｔを超えているか否かによって失火を検知していたが、本開示はこの形態に限定されない。幾つかの実施形態では、失火検知装置２８は、ピストン１０の位置が互いに共通である２つのタイミングの圧力差が予め設定されている閾値以下であると、失火と判定するように構成されている。例えば、失火検知装置は、－２０°ＡＴＤＣのときの圧力Ｐｒと２０°ＡＴＤＣのときの圧力Ｐｒとの差が閾値以下であると、失火と判定するように構成されている。

尚、第２実施形態では、失火検知装置２８は、シリンダ８内の圧力Ｐｒに基づいて失火を検知していたが、本開示はこの形態に限定されない。失火検知装置２８は、シリンダ８内の圧力Ｐｒ以外の検出値（例えば、エンジンの振動、クランク軸の回転速度やトルク、排気ガス成分等）に基づいて失火を検知してもよい。

＜第３実施形態＞
本開示の第３実施形態に係る内燃機関１について説明する。第３実施形態に係る内燃機関１は、第２実施形態に係る内燃機関１に水素燃焼装置３０を加えたものである。第３実施形態において、第２実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。幾つかの実施形態に係る内燃機関１は、第１実施形態に係る内燃機関１に水素燃焼装置３０を加えたものである。

（構成）
図５は、第３実施形態に係る内燃機関１の構成を概略的に示す図である。図５に例示するように、内燃機関１は、排気流路２２に配置され、ガス燃料Ｆに含まれる水素を燃焼させるための水素燃焼装置３０をさらに含む。

第３実施形態では、水素燃焼装置３０は、セラミックを含むセラミック体である。水素燃焼装置３０は、排気流路２２の出口よりも入口に近い側（排気ポート２５側）に配置されている。水素燃焼装置３０は、排気流路２２においてタービン２４よりも燃焼室２側に配置されている。さらに具体的には、図５に例示するように、水素燃焼装置３０は、排気流路２２のうち１燃焼サイクルＣの排気行程Ｐ４において主室１２から排出される排気Ｇが届く領域Ｘ内に配置されている。幾つかの実施形態では、水素燃焼装置３０は、失火時の排気Ｇが届く領域Ｘ内に配置されており、１燃焼サイクルＣにおける失火時の排気Ｇに含まれる水素を燃焼することができるようになっている。

（作用・効果）
第３実施形態によれば、主室１２から未燃のガス燃料Ｆが排気流路２２に排出されたとしても、この未燃のガス燃料Ｆに含まれる水素は水素燃焼装置３０によって燃焼される。このため、排気流路２２における水素の滞留を抑制し、滞留した水素の引火による不具合の発生を防止できる。

水素燃焼装置３０が排気流路２２の領域Ｘ外に配置されていると、１燃焼サイクルＣにおける排気行程Ｐ４から排出される未燃のガス燃料Ｆに含まれる水素を燃焼することができず、排気流路２２内に滞留する水素の濃度が高くなり、引火する可能性が高くなる。しかしながら、第３実施形態によれば、水素燃焼装置３０が排気流路２２の領域Ｘ内に配置されているので、１燃焼サイクルＣにおける排気行程Ｐ４から排出される未燃のガス燃料Ｆに含まれる水素を燃焼することができる。

第３実施形態によれば、水素燃焼装置３０はセラミック体であるので、セラミック体を排気流路２２に配置しておくことで、主室１２から排出される排気Ｇによってセラミック体の温度が上昇し、セラミック体を水素の燃焼が可能な状態にすることができる。このように、内燃機関１に簡易な構成の水素燃焼装置３０を設けることができる。尚、第３実施形態では、水素燃焼装置３０はセラミック体であったが、本開示はこの形態に限定されない。水素燃焼装置３０は、グロープラグやバーナであってもよい。

尚、第１～第３実施形態では、内燃機関１は、制御装置６によって点火装置４の所定の点火タイミングにおける点火動作の実行を制御することで、排気流路２２に排出される未燃のガス燃料Ｆの量を抑制し、１燃焼サイクルにおける失火の発生による損傷を抑制していたが、本開示はこの形態に限定されない。

幾つかの実施形態では、内燃機関１は、水素を含むガス燃料Ｆが供給される燃焼室２と、燃焼室２から排出される排気Ｇが流通する排気流路２２と、排気流路２２に配置され、ガス燃料Ｆに含まれる水素を燃焼させるための水素燃焼装置３０と、を備える。このような構成によれば、排気流路２２に水素燃焼装置３０が配置されているので、失火が発生し未燃のガス燃料Ｆが排気流路２２に排出されたとしても、この未燃のガス燃料Ｆに含まれる水素を燃焼することができる。よって、水素を含むガス燃料Ｆを採用する内燃機関１の１燃焼サイクルにおける失火の発生による損傷を抑制することができる。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

［１］本開示に係る内燃機関（１）は、
水素を含むガス燃料（Ｆ）が供給される燃焼室（２）と、
前記燃焼室内の前記ガス燃料に点火するように構成された点火装置（４）と、
前記点火装置の所定の点火タイミングにおける点火動作の実行を制御する制御装置（６）と、を備え、
前記所定の点火タイミングは、１燃焼サイクル（Ｃ）のうち初めて点火動作を行う初点火タイミング（ｔ３）と、前記１燃焼サイクルのうち前記初点火タイミングより後に点火動作を行う後点火タイミング（ｔａ）と、を含む。

上記[１]に記載の構成によれば、燃焼室には水素を含むガス燃料が供給される。そして、点火装置は、失火の有無に関係なく、１燃焼サイクルのうち初めて点火動作を行う初点火タイミングより後の後点火タイミングでも点火動作を行う。このため、１燃焼サイクルにおける失火の発生に関わらず、燃焼室内のガス燃料に含まれる水素が燃焼されるので、１燃焼サイクルＣにおける失火の発生（水素の引火）による損傷を抑制することができる。

[２]幾つかの実施形態では、上記[１]に記載の構成において、前記後点火タイミングは、前記１燃焼サイクルの燃焼行程（Ｐ３）に点火動作が行われる第１後点火タイミング（ｔａ１）を含む。

上記[２]に記載の構成によれば、点火装置の初点火タイミングにおける点火動作では燃焼しきらなかった未燃のガス燃料を同一の１燃焼サイクルの燃焼行程で燃焼させ、燃焼室から排出される未燃のガス燃料の量を抑制することができる。

［３］幾つかの実施形態では、上記[２]に記載の構成において、前記第１後点火タイミングは、１５°ＡＴＤＣから２５°ＡＴＤＣまでの範囲（Ｒ１）内にある。

第１後点火タイミングが１５°ＡＴＤＣよりも前であると、燃焼室内の圧力が十分に高くないため、失火の有無を評価しにくい。一方で、第１後点火タイミングが２５°ＡＴＤＣよりも後であると、排気行程が始まるまでの時間が短いため、未燃燃料の燃焼が不十分となる可能性がある。上記[３]に記載の構成によれば、第１後点火タイミングを１５°ＡＴＤＣから２５°ＡＴＤＣまでの範囲とすることで、失火の有無の評価を容易にしつつ、未燃燃料の発生を抑制することができる。

[４]幾つかの実施形態では、上記[１]から[３]の何れか１つに記載の構成において、
前記後点火タイミングは、前記１燃焼サイクルの排気行程（Ｐ４）に点火動作が行われる第２後点火タイミング（ｔａ２）を含む。

上記[４]に記載の構成によれば、点火装置の初点火タイミングにおける点火動作では燃焼しきらなかった未燃のガス燃料を同一の１燃焼サイクルの排気行程で燃焼させ、燃焼室から排出される未燃のガス燃料の量を抑制することができる。

[５]幾つかの実施形態では、上記[１]から[４]の何れか１つに記載の構成において、
前記１燃焼サイクルにおける前記燃焼室内の失火を検知する失火検知装置（２８）をさらに備え、
前記制御装置は、
前記失火検知装置が前記燃焼室内の失火を検知した場合、前記点火装置の前記後点火タイミングにおける点火動作を実行するように構成され、
前記失火検知装置が前記燃焼室内の失火を非検知である場合、前記点火装置の前記後点火タイミングにおける点火動作を停止するように構成される。

上記[５]に記載の構成によれば、点火装置の後点火タイミングにおける点火動作は、失火検知装置が燃焼室内の失火を非検知である場合には行われないので、失火の有無に関係なく後点火タイミングにおけう点火動作が行われる場合と比較して、点火装置の製品寿命を長くすることができる。

[６]幾つかの実施形態では、上記[５]に記載の構成において、
前記失火検知装置は、前記１燃焼サイクルの前記初点火タイミングより後、且つ前記後点火タイミングより前における前記燃焼室内の最大圧力（Ｐｍａｘ）が所定の圧力（Ｐｔ）以下であると失火と判定するように構成されている。

水素は燃焼速度が大きいので、１つの燃焼サイクルにおける未燃のガス燃料であっても、燃焼室から排出される量が抑制されていることが望ましい。上記[６]に記載の構成によれば、１燃焼サイクルのうちに失火判定が行われ、失火と判定された場合には、この１燃焼サイクルの後点火タイミングで点火動作が行われる。このため、１つの燃焼サイクルにおける未燃のガス燃料が燃焼室から排出される量を抑制することができる。

[７]幾つかの実施形態では、上記[１]から［６］の何れか１つに記載の構成において、
前記ガス燃料に含まれる水素を燃焼させるための水素燃焼装置（３０）をさらに備え、
前記水素燃焼装置は、前記燃焼室から排出される排気が流通する排気流路（２２）に配置される。

上記［７］に記載の構成によれば、燃焼室から未燃のガス燃料が排気流路に排出されたとしても、この未燃のガス燃料に含まれる水素は水素燃焼装置によって燃焼される。このため、排気流路における水素の滞留を抑制し、滞留した水素の引火による不具合の発生を防止できる。

[８]幾つかの実施形態では、上記[７]に記載の構成において、
前記水素燃焼装置は、前記排気流路のうち前記１燃焼サイクルの排気行程において前記燃焼室から排出される排気（Ｇ）が届く領域（Ｘ）に配置される。

上記［８］に記載の構成によれば、１燃焼サイクルにおける未燃のガス燃料に含まれる水素を燃焼することができる。

[９]幾つかの実施形態では、上記[７]又は［８］に記載の構成において、
前記水素燃焼装置は、セラミックを含むセラミック体である。

セラミック体を排気流路に配置しておくことで、燃焼室から排出され排気流路を流通する排気によってセラミック体の温度が上昇し、セラミック体を水素の燃焼が可能な状態にすることができる。上記［９］に記載の構成によれば、簡易な構成の水素燃焼装置を設けることができる。

[１０]本開示に係る内燃機関は、
水素を含むガス燃料が供給される燃焼室と、
前記燃焼室から排出される排気が流通する排気流路と、
前記排気流路に配置され、前記ガス燃料に含まれる水素を燃焼させるための水素燃焼装置と、を備える。

上記［１０］に記載の構成によれば、排気流路に水素燃焼装置が配置されているので、失火が発生し未燃のガス燃料が排気流路に排出されたとしても、この未燃のガス燃料に含まれる水素を燃焼することができる。よって、水素を含むガス燃料を採用する内燃機関の１燃焼サイクルにおける失火による損傷を抑制することができる。

１ 内燃機関
２ 燃焼室
４ 点火装置
６ 制御装置
８ シリンダ
１０ ピストン
１２ 主室
１３ コネクティングロッド
１４ クランクシャフト
１６ 吸気流路
１７ 吸気弁
１８ 圧縮機
１９ 吸気ポート
２０ ガス燃料供給装置
２１ 点火プラグ
２２ 排気流路
２３ 排気弁
２４ タービン
２５ 排気ポート
２６ 角度センサ
２８ 失火検知装置
２９ 圧力センサ
３０ 水素燃焼装置
５０ 点火部
５２ クランク角検知部
５４ 失火判定部

Ａ 空気
Ｃ １燃焼サイクル
Ｆ ガス燃料
Ｇ 排気
Ｐ１ 吸気行程
Ｐ２ 圧縮行程
Ｐ３ 燃焼行程
Ｐ４ 排気行程
Ｐｒ 圧力
Ｐｍａｘ 最大圧力
Ｐｔ 閾値
Ｒ１ 第１範囲
Ｒ２ 第２範囲
Ｓ１ 点火信号
Ｓ２ 回転角度
Ｘ 領域
ｔ３ 初点火タイミング
ｔａ 後点火タイミング
ｔａ１ 第１後点火タイミング
ｔａ２ 第２後点火タイミング

Claims (10)

1. 水素を含むガス燃料が供給される燃焼室と、
   前記燃焼室内の前記ガス燃料に点火するように構成された点火装置と、
   前記点火装置の所定の点火タイミングにおける点火動作の実行を制御する制御装置と、を備え、
   前記所定の点火タイミングは、１燃焼サイクルのうち初めて点火動作を行う初点火タイミングと、前記１燃焼サイクルのうち前記初点火タイミングより後に点火動作を行う後点火タイミングと、を含む、
   内燃機関。
2. 前記後点火タイミングは、前記１燃焼サイクルの燃焼行程に点火動作が行われる第１後点火タイミングを含む、
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記第１後点火タイミングは、１５°ＡＴＤＣから２５°ＡＴＤＣまでの範囲内にある、
   請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記後点火タイミングは、前記１燃焼サイクルの排気行程に点火動作が行われる第２後点火タイミングを含む、
   請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関。
5. 前記１燃焼サイクルにおける前記燃焼室内の失火を検知する失火検知装置をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記失火検知装置が前記燃焼室内の失火を検知した場合、前記点火装置の前記後点火タイミングにおける点火動作を実行するように構成され、
   前記失火検知装置が前記燃焼室内の失火を非検知である場合、前記点火装置の前記後点火タイミングにおける点火動作を停止するように構成される、
   請求項１から４の何れか一項に記載の内燃機関。
6. 前記失火検知装置は、前記１燃焼サイクルの前記初点火タイミングより後、且つ前記後点火タイミングより前における前記燃焼室内の最大圧力が所定の圧力以下であると失火と判定するように構成されている、
   請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記ガス燃料に含まれる水素を燃焼させるための水素燃焼装置をさらに備え、
   前記水素燃焼装置は、前記燃焼室から排出される排気が流通する排気流路に配置される、
   請求項１から６の何れか一項に記載の内燃機関。
8. 前記水素燃焼装置は、前記排気流路のうち前記１燃焼サイクルの排気行程において前記燃焼室から排出される排気が届く領域に配置される、
   請求項７に記載の内燃機関。
9. 前記水素燃焼装置は、セラミックを含むセラミック体である、
   請求項７又は８に記載の内燃機関。
10. 水素を含むガス燃料が供給される燃焼室と、
    前記燃焼室から排出される排気が流通する排気流路と、
    前記排気流路に配置され、前記ガス燃料に含まれる水素を燃焼させるための水素燃焼装置と、を備える、
    内燃機関。

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