JP2024056279A - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関において、アンモニア燃料を助燃材なしで良好に着火できる技術を提供する。【解決手段】レシプロエンジンでは、ピストンの上下動に合わせて、排気工程、吸気工程、圧縮工程および膨張工程を繰り返し実行する。この内燃機関の制御方法では、燃料にアンモニア燃料を用い、排気工程から吸気工程にかけて、吸気バルブおよび排気バルブの双方を閉鎖するＮＶＯ期間を設ける。そして、ＮＶＯ期間において、排気上死点の前に、筒内にアンモニア燃料が噴射される。これにより、アンモニア燃料に含まれるアンモニアから水素（水素分子または水素イオン）が僅かに分離する。これにより、当該水素が助燃材の役割を果たし、圧縮上死点付近においてアンモニア燃料への着火性を向上できる。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関用の制御方法に関する。

４ストローク（または４サイクル）レシプロエンジンと呼ばれる内燃機関においては、ピストンの往復動作に合わせて排気バルブ・吸気バルブの開閉、燃料の導入、および点火動作を行うことにより、排気工程、吸気工程、圧縮工程および膨張工程と繰り返す。

従来の内燃機関については、例えば、特許文献１に記載されている。内燃機関の燃料には、従来、ガソリン、軽油、プロパンガスおよびアルコールなどが用いられていた。

特開２０１６－８２１９３号公報

近年、カーボンフリー燃料として、アンモニア燃料が着目されている。アンモニアは、ガソリン等の従来の燃料に比べて燃焼速度が遅く、着火しにくいことから、専焼（アンモニア燃料単体での燃焼）で安定的にレシプロエンジンを動作させることが困難である。このため、一般的には、水素等の助燃材を添加した混合燃料が用いられている。

しかしながら、複数種類の燃料を混合させて用いる場合には、ボンベ等の貯留部や、燃料供給系統も、複数設置する必要が生じる。

本発明の目的は、内燃機関において、アンモニア燃料を助燃材なしで良好に着火できる技術を提供することである。

上記課題を解決するため、本願の第１発明は、アンモニア燃料を用いた直噴型内燃機関の制御方法であって、ピストンを上昇させる、排気工程と、前記ピストンを下降させる、吸気工程と、吸気バルブおよび排気バルブを閉鎖しつつ、前記ピストンを上昇させるとともに、筒内に前記アンモニア燃料を噴射する、圧縮工程と、前記吸気バルブおよび前記排気バルブを閉鎖した状態で、前記筒内における前記アンモニア燃料の燃焼により前記ピストンを下降させる、膨張工程と、を繰り返し実行し、前記排気工程から前記吸気工程にかけて、前記吸気バルブおよび前記排気バルブの双方を閉鎖するＮＶＯ期間を設け、前記ＮＶＯ期間において、排気上死点の前に、前記筒内に前記アンモニア燃料が噴射される。

本願の第２発明は、第１発明の制御方法であって、前記ＮＶＯ期間の排気上死点付近において、前記アンモニア燃料の噴射後に、前記筒内において放電が行われる。

本願の第３発明は、第２発明の制御方法であって、前記ＮＶＯ期間における放電は、点火プラグによるアーク放電である。

本願の第４発明は、第２発明の制御方法であって、前記ＮＶＯ期間における放電は、前記筒内に設けられたプラズマアクチュエータによるプラズマ放電である。

本願の第５発明は、第１発明ないし第４発明のいずれかの制御方法であって、前記アンモニア燃料は、アンモニアガス、液体アンモニア、およびアンモニア水の少なくとも１つを含む。

本願の第１発明～第５発明によれば、ＮＶＯ期間を設け、ＮＶＯ期間の排気上死点より前に筒内にアンモニア燃料を噴射することにより、アンモニア燃料に含まれるアンモニアから水素（水素分子または水素イオン）が僅かに分離する。これにより、当該水素が助燃材の役割を果たし、圧縮上死点付近においてアンモニア燃料への着火性を向上できる。

特に、本願の第２発明～第４発明によれば、ＮＶＯ期間において、アンモニア燃料の噴射後、排気上死点付近において放電を行うことにより、アンモニアからの水素の分離を促進する。これにより、助燃材としての水素を確実に発生させ、あるいは、水素の発生量を増加させる。その結果、圧縮上死点付近におけるアンモニア燃料への着火性をより向上できる。

内燃機関の構成を示した概略図である。 各工程におけるバルブ開閉タイミング、燃料噴射タイミング、放電タイミング、および筒内圧を示した図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

＜１．内燃機関の構成＞
本発明の一実施形態となる内燃機関１の構成につて、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る内燃機関１の構成を示した概略図である。

内燃機関１は、自動車等に搭載される４気筒直噴型内燃エンジンである。図１には、４つの気筒のうち、１つのみが図示されている。この内燃機関１の燃料は、アンモニア燃料である。アンモニア燃料とは、アンモニアガス、液体アンモニア、およびアンモニア水の少なくとも１つを含む燃料である。以下では、アンモニア燃料としてアンモニアガスを用いる場合について、説明を行う。

この内燃機関１は、ピストンの往復運動でエネルギーを生み出す、レシプロエンジンである。内燃機関１は、シリンダ１１、吸気管１２、排気管１３、ピストン２１、吸気バルブ２２、排気バルブ２３、点火プラグ３１、インジェクタ３２、およびＥＣＵ９０を有する。この内燃機関１は、４気筒エンジンであるため、シリンダ１１、吸気管１２、排気管１３、ピストン２１、吸気バルブ２２、排気バルブ２３、点火プラグ３１、およびインジェクタ３２、をそれぞれ４つずつ有する。

シリンダ１１は、内部で燃料ガスを燃焼させるための燃焼室である。吸気管１２は、シリンダ１１内に空気を導入するための気体流路である。排気管１３は、シリンダ１１から排気ガスを排出するための気体流路である。

ピストン２１は、上下運動によって、シリンダ１１内の燃焼室の体積を変動させる。ピストン２１は、燃焼室の体積が最も小さくなる上死点と、燃焼室の体積が最も大きくなる下死点との間を上下に往復する。

吸気バルブ２２は、シリンダ１１と吸気管１２との連通を調整する。図１中、１つのシリンダ１１に対して１つの吸気バルブ２２が図示されているが、１つのシリンダ１１に対する吸気バルブ２２の数は１つであっても２つであってもよい。

排気バルブ２３は、シリンダ１１と排気管１３との連通を調整する。図１中、１つのシリンダ１１に対して１つの排気バルブ２３が図示されているが、１つのシリンダ１１に対する排気バルブ２３の数は１つであっても２つであってもよい。

点火プラグ３１は、シリンダ１１内において、アーク放電によって火花を発生させる装置である。点火プラグ３１は、中心電極と接地電極との間のギャップにおいて空中放電を行うことによって、電気火花が発生する。

インジェクタ３２は、燃料をシリンダ１１内に噴射するための装置である。この内燃機関１は、所謂直噴エンジンであるため、インジェクタ３２はシリンダ１１内に噴射する筒内噴射式である。具体的には、インジェクタ３２は、アンモニアガスをシリンダ１１内に噴射する。

ＥＣＵ９０は、内燃機関１の動作を制御する電子制御ユニットである。ＥＣＵ９０には、内燃機関１に備えられた各種センサの出力が入力される。ＥＣＵは、これらの入力信号に基づいて、ピストン２１、吸気バルブ２２、排気バルブ２３、点火プラグ３１、インジェクタ３２等の動作を制御する。

内燃機関１では、４つのシリンダ１１において、一般的なガソリンエンジンと同様、排気工程、吸気工程、圧縮工程および膨張工程を１／４周期ずつずらして行う。まず、各工程の基本的な動作について、以下に説明する。

排気工程は、シリンダ１１内での燃焼後に行われる。燃焼の終わったシリンダ１１において、ピストン２１は下死点に配置されている。排気工程では、吸気バルブ２２を閉鎖しつつ、排気バルブ２３を開放するとともに、ピストン２１を上死点まで上昇させることにより、シリンダ１１内の既燃ガスをシリンダ１１の内部から排気管１３へと排出させる。排気工程において、ピストン２１が上死点に達した時点を「排気上死点」と称する。

吸気工程は、排気工程の後に行われる。吸気工程では、排気バルブ２３を閉鎖しつつ、吸気バルブ２２を開放するとともに、ピストン２１を上死点から下死点まで下降させることにより、吸気管１２からシリンダ１１内へと空気を導入させる。

圧縮工程は、吸気工程に続いて行われる。圧縮工程では、吸気バルブ２２と排気バルブ２３の双方を閉鎖しつつ、ピストン２１を下死点から上死点まで上昇させる。これにより、シリンダ１１内の空気が圧縮され、シリンダ１１内の温度が上昇する。圧縮工程において、ピストン２１が上死点に達した時点を「圧縮上死点」と称する。

なお、吸気工程および／または圧縮工程の所定のタイミングにおいて、インジェクタ３２からシリンダ１１内に燃料が噴射される。これにより、圧縮上死点において、シリンダ１１内には、燃料と空気とが混合された混合気が圧縮されている。

圧縮上死点付近において、点火プラグ３１で放電点火を行う。これにより、圧縮された混合気が燃焼し、高温高圧の燃焼ガスとなってピストン２１を上死点から下死点まで押し下げながら膨張する。これにより、膨張工程が行われる。その後、排気工程へ戻る。

アンモニア燃料は、ガソリン等の従来の燃料に比べて燃焼速度が遅く、着火しにくい。このため、上記の４工程をガソリン等の従来の燃料と同様に行おうとすると、専焼（アンモニア燃料単体での燃焼）で安定的にレシプロエンジンを動作させることが困難である。このため、一般的には、水素等の助燃材を添加した混合燃料が用いられている。

しかしながら、複数種類の燃料を混合させて用いる場合には、ボンベ等の貯留部や、燃料供給系統も、複数設置する必要が生じる。そこで、この内燃機関１では、アンモニア燃料単体で燃焼するために、以下のように制御することとした。

＜２．ＮＶＯ期間における燃料噴射について＞
続いて、本実施形態における内燃機関１の制御方法について、図２を参照しつつ、説明する。図２は、排気工程、吸気工程、圧縮工程および膨張工程の４工程におけるバルブ開閉タイミング、燃料噴射タイミング、放電タイミング、および筒内圧を示した図である。この内燃機関１においては、従来の４工程と比較して、所謂ＮＶＯ期間を設けるとともに、ＮＶＯ期間に燃料噴射および放電を行う。

図２に示すように、この内燃機関１では、排気工程から吸気工程にかけて、吸気バルブ２２および排気バルブ２３の双方を閉鎖するＮＶＯ（Negative Valve Overlap）期間を設ける。ＮＶＯでは、シリンダ１１内の既燃ガスが排気バルブから排出しきる前に排気バルブを閉じる為、シリンダ１１内に温度の高い既燃ガスが残留する。ＮＶＯ期間の前半（排気工程中）では、ピストン２１が上昇するため、シリンダ１１内の既燃ガスが圧縮され、筒内圧が若干上昇する。

このとき、ＮＶＯ期間において、排気上死点よりも前（すなわち排気工程中）に、シリンダ１１内（筒内）にインジェクタ３２からアンモニア燃料が噴射される。噴射されたアンモニア燃料は、シリンダ１１内に残留している既燃ガスにより温度上昇する。これにより、アンモニア燃料に含まれるアンモニアから水素（水素分子または水素イオン）が分離しやすくなり、僅かに水素が分離する。

一方、ＮＶＯ期間において、アンモニア燃料の噴射後、排気上死点付近において、シリンダ１１内において放電が行われる。具体的には、点火プラグ３１においてアーク放電が行われる。排気上死点付近では、ピストン２１の上昇により筒内圧が上昇し、シリンダ１１内の気体密度が高くなる。そこにアーク放電によってエネルギーが供給されるため、アンモニア燃料からの水素の分離が促進される。このとき、シリンダ１１内には既燃ガスとアンモニア燃料のみであり、酸素が存在しないため、アンモニア燃料が燃焼せずに、水素の分離のみが生じる。

その後、吸気工程において空気が導入され、圧縮工程において再び筒内圧が上昇する。圧縮工程において、インジェクタ３２からさらにアンモニア燃料の噴射が１回または複数回行われる。そして、圧縮上死点付近で点火プラグ３１においてアーク放電が行われる。このとき、ＮＶＯ期間において発生した水素に着火するため、アンモニア燃料の燃焼が生じやすくなる。そして、アンモニア燃料の燃焼により、シリンダ１１内の気圧が上昇し、ピストン２１が押し下げられる（膨張工程）。

このように、ＮＶＯ期間を設け、ＮＶＯ期間の排気上死点より前に筒内にアンモニア燃料を噴射することにより、アンモニア燃料に含まれるアンモニアから水素（水素分子または水素イオン）が僅かに分離する。これにより、当該水素が助燃材の役割を果たし、圧縮上死点付近においてアンモニア燃料への着火性を向上できる。

さらに、ＮＶＯ期間において、アンモニア燃料の噴射後、排気上死点付近において、点火プラグ３１においてアーク放電を行うことにより、アンモニアからの水素の分離を促進する。これにより、助燃材としての水素を確実に発生させ、あるいは、水素の発生量を増加させる。その結果、圧縮上死点付近におけるアンモニア燃料への着火性をより向上できる。

＜３．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態には限定されない。

上記の実施形態において、ＮＶＯ期間において点火プラグにおけるアーク放電を行ったが、本発明はこれに限られない。点火プラグにおけるアーク放電に代えて、例えば、誘電体バリア放電（ＤＢＤ、Dielectric Barrier Discharge）プラズマアクチュエータ等のプラズマアクチュエータを用いたプラズマ放電が行われてもよい。その場合、プラズマアクチュエータをシリンダ内に設ける必要がある。

本発明の内燃機関用点火装置は、自動車等の車両のみならず、発電機等の様々な装置や産業機械に搭載されて、内燃機関の点火プラグに電気火花を発生させて燃料を点火させるために使用されるものであればよい。

上記の内燃機関用点火装置の細部の形状や構造は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変更してもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

１ 内燃機関
１１ シリンダ
２１ ピストン
２２ 吸気バルブ
２３ 排気バルブ
３１ 点火プラグ
３２ インジェクタ
９０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. アンモニア燃料を用いた直噴型内燃機関の制御方法であって、
   ピストンを上昇させる、排気工程と、
   前記ピストンを下降させる、吸気工程と、
   吸気バルブおよび排気バルブを閉鎖しつつ、前記ピストンを上昇させるとともに、筒内に前記アンモニア燃料を噴射する、圧縮工程と、
   前記吸気バルブおよび前記排気バルブを閉鎖した状態で、前記筒内における前記アンモニア燃料の燃焼により前記ピストンを下降させる、膨張工程と、
   を繰り返し実行し、
   前記排気工程から前記吸気工程にかけて、前記吸気バルブおよび前記排気バルブの双方を閉鎖するＮＶＯ期間を設け、
   前記ＮＶＯ期間において、排気上死点の前に、前記筒内に前記アンモニア燃料が噴射される、制御方法。
2. 請求項１に記載の制御方法であって、
   前記ＮＶＯ期間の排気上死点付近において、前記アンモニア燃料の噴射後に、前記筒内において放電が行われる、制御方法。
3. 請求項２に記載の制御方法であって、
   前記ＮＶＯ期間における放電は、点火プラグによるアーク放電である、制御方法。
4. 請求項２に記載の制御方法であって、
   前記ＮＶＯ期間における放電は、前記筒内に設けられたプラズマアクチュエータによるプラズマ放電である、制御方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の制御方法であって、
   前記アンモニア燃料は、アンモニアガス、液体アンモニア、およびアンモニア水の少なくとも１つを含む、制御方法。
   

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