JP4214788B2 - 火花点火式内燃機関および燃焼制御方法 - Google Patents
火花点火式内燃機関および燃焼制御方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式の内燃機関においてノッキングの発生を抑制する内燃機関およびノッキングを抑制する燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とするガソリン内燃機関を始めとする火花点火式内燃機関では、ノッキングの発生は、全負荷時における最大出力を低下させる最も大きな要因であり、従来より数多くのノッキング防止技術が提案されている。
【０００３】
ノッキングは、一般的に、ガソリン燃料（混合気）が、ピストンヘッドと気筒（シリンダ）内壁と伝播火炎とによって囲まれて温度並びに作用する圧力が上昇することによって自着火温度に到達し、火花点火により生成された火炎の伝播による着火よりも先に、自着火により着火してしまうことにより発生する。
【０００４】
したがって、圧縮比を下げること、自着火温度（オクタン価）の高いガソリン燃料（いわゆる、ハイオクガソリン）を使用することによりノッキングを抑制・回避することが考えられる。また、ノッキングは、シリンダ内（燃焼室）の圧力が上昇する燃焼の後半において発生するため、燃焼速度を上げることによりノッキングを抑制・回避することも考えられる。一方、水等のアンチノック剤を気筒内へ噴霧することによって筒内温度を低下させる技術も提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２７１６７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮比を下げれば最大出力が低下してしまうという問題があり、ハイオクガソリンはレギュラーガソリンよりも高くランニングコストがかさむという問題がある。また、単に燃焼速度を向上させた場合には、シリンダ内における燃焼が急激に起こるため、シリンダ内の温度が上昇し、却ってノッキングが発生しやすくなるという問題がある。さらに、筒内温度を低下させる場合には、熱効率が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、火花点火式内燃機関において、水素または水素リッチガスを主燃料に添加して出力特性を損なうことなくノッキングを抑制・解消することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第１の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定する要求熱量決定手段と、熱量換算にて、前記全熱量の１０％から３０％に相当する量の水素を前記気筒内に直接、供給する水素供給装置と、熱量換算にて、前記全熱量から前記水素による熱量を除いた９０％から７０％に相当する量の主燃料を供給する主燃料供給装置と、前記主燃料と水素とを含む混合気に火花点火する火花点火装置とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る内燃機関によれば、水素供給装置によって気筒内に直接供給された全熱量の１０％から３０％に相当する量の水素と、主燃料供給装置によって供給された全熱量から前記水素による熱量を除いた９０％から７０％に相当する量の主燃料との混合気に対して火花点火を実行するので、出力特性を損なうことなく、ノッキングを抑制・防止することができる。水素の供給量が熱量換算にて全熱量の１０％未満の領域では、混合気の燃焼速度が向上されないため点火時期を進ませる（早める）ことができず、最も出力が得られる点火時期に点火処理を実行することができない。水素の供給量が熱量換算にて全熱量の３０％を超える領域では、混合気の燃焼速度が高くなりすぎて、混合気が急激に燃焼して気筒内の温度が上昇し、却ってノッキングが発生してしまう。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る内燃機関において、前記水素供給装置は、前記火花点火装置近傍および前記気筒の内周縁部に対して前記水素を供給しても良い。かかる場合には、火花点火装置近傍に供給された水素は、混合気の着火性を高め、また燃焼速度を高めることによって、最も出力が得られる点火時期での点火を可能にすると共に良好な火炎伝播によってノッキングを抑制・防止する。また、気筒の内周縁部に供給された水素は、気筒の内周縁部における燃焼を最後まで促進させることによって、また自らの耐ノック性によって気筒の内周縁部におけるノッキングを抑制・防止する。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油燃料であっても良い。かかる場合にも、ガソリン燃料を用いた場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００１２】
本発明の第１の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第１の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定し、熱量換算にて、前記全熱量の１０％から３０％に相当する量の水素を前記内燃機関の気筒内に直接、供給し、熱量換算にて、前記全熱量から前記水素による熱量を除いた９０％から７０％に相当する量の主燃料を供給し、前記主燃料と水素とを含む混合気に火花点火することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第２の態様に係る内燃機関は、主燃料を供給する主燃料供給装置と、水素ガスを前記気筒内に直接、供給する水素ガス供給装置と、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火する火花点火装置と、前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記水素ガス供給装置を制御する制御装置であって、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数以上である場合には、前記水素ガス供給装置による水素ガスの供給を行わない制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る内燃機関によれば、機関回転数がノッキングが発生する機関回転数以上である場合には、水素ガス供給装置による水素ガスの供給を行わないので、ノッキングが発生しない領域における無駄な水素供給を防止することができると共に、水素供給により生じるノッキングを防止することができる。
【００１５】
本発明の第２の態様に係る内燃機関において、前記制御装置は、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記水素ガス供給装置による水素ガスの供給を行っても良い。かかる場合には、水素ガスを供給することによって混合気の燃焼速度の向上、耐ノッキング性を向上させることが可能となり、火花点火式内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る内燃機関において、前記火花点火装置は、最も出力を得られる点火時期（ＭＢＴ）に火花点火を実行しても良い。水素ガスを供給することによって耐ノッキング性が向上されるので、ＭＢＴにおいて点火してもノッキングは発生せず、内燃機関の出力特性を向上させることができる。
【００１７】
本発明の第２の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第２の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関の機関回転数を検出し、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記内燃機関に対して主燃料を供給すると共に水素ガスを前記内燃機関の気筒内に直接供給し、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火することを特徴とする。
【００１８】
本発明の第３の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第３の態様に係る内燃機関は、主燃料を供給する主燃料供給装置と、水素ガスを前記気筒内に直接、供給する水素ガス供給装置と、前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記検出された機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得する取得手段と、前記取得した差分に基づいて前記水素ガス供給装置によって供給する水素ガス量を決定する決定手段と、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に対して、前記最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行する火花点火装置とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第３の態様に係る内燃機関によれば、検出された内燃機関の機関回転数において最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を求め、求められた差分に基づいて水素ガス供給装置によって供給する水素ガス量を決定するので、最も出力を得られる点火時期において火花点火を実行してもノッキングを防止することができる。また、主燃料と水素ガスとを含む混合気に対して、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行するので、出力を損なうことなく、ノッキングを抑制・防止することができる。
【００２０】
本発明の第３の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料であり、前記水素ガス供給装置によって供給される水素ガスの量は、熱量換算において、前記内燃機関において要求される全熱量の１０〜３０％の範囲であっても良い。かかる範囲において、最も効果的に、水素ガスを供給することによるノッキング抑制・防止を図ることができる。
【００２１】
本発明の第３の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第３の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関の機関回転数を検出し、前記検出した機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得し、前記取得した差分に基づいて前記水素ガス供給装置によって供給する水素ガス量を決定し、前記内燃機関に対して主燃料を供給すると共に前記決定された量の水素ガスを前記内燃機関の気筒内に直接供給し、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に対して、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行することを特徴とする。
【００２２】
本発明の第４の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第４の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出するノッキング検出器と、前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記ノッキング検出器によってノッキングの発生が検出された場合には、前記検出された機関回転数に基づいて供給すべき水素ガス量および主燃料量を決定する燃料供給量決定手段と、前記決定された量の水素ガスを、前記気筒内に直接、供給する水素ガス供給装置と、前記決定された量の主燃料を供給する主燃料供給装置と、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火する火花点火装置とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第４の態様に係る内燃機関によれば、ノッキング検出器によってノッキングが検出された場合には、機関回転数に基づいて供給すべき水素ガス量を求め、決定された量の水素ガスを、気筒内に直接、供給すると共に、決定された量の主燃料を供給し、主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火するので、ノッキングを抑制・防止することができる。
【００２４】
本発明の第４の態様に係る内燃機関において、前記水素ガスリッチガス供給手段は、前記内燃機関の圧縮行程において前記気筒内に水素ガスを供給しても良い。かかる場合には、気筒内への空気の吸気を妨げることなく水素ガスを気筒内に供給することができる。
【００２５】
本発明の第４の態様に係る内燃機関において、
前記燃料供給量決定手段は、
前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定する要求熱量決定手段と、
前記検出された機関回転数に基づいて前記全熱量に対する水素ガスリッチガスの熱量割合を決定する熱量割合決定手段と、
前記決定された水素ガスの熱量割合に相当する水素ガス量を決定する水素ガス量決定手段と、
前記全熱量と前記水素ガスの熱量割合とから主燃料の熱量割合を求め、求めた主燃料の熱量割合に相当する主燃料量を決定する主燃料量決定手段とを備えても良い。かかる場合には、内燃機関に要求される全熱量を変化させることなく水素ガスの熱量割合を決定し、水素ガスの供給量および主燃料の供給量を決定することができる。
【００２６】
本発明の第４の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料であり、前記熱量割合決定手段によって決定される水素ガスの熱量割合は、前記全熱量の１０〜３０％の範囲であっても良い。かかる場合には、最も広く用いられているガソリン内燃機関において、出力を損なうことなく、ノッキングの発生を抑制・防止することができる。また、かかる範囲において、最も効果的に、水素ガスを供給することにより、出力を低下させることなくノッキングの抑制・防止を図ることができる。
【００２７】
本発明の第４の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第４の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出し、前記内燃機関の機関回転数を検出し、ノッキングの発生が検出された場合には、前記検出した機関回転数に基づいて供給すべき水素ガス量および主燃料量を決定し、前記内燃機関に対して決定された量の主燃料を供給すると共に前記決定した量の水素ガスを前記気筒内に直接供給し、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火しても良い。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る火花点火式の内燃機関について説明する。
【００２９】
・第１の実施例：
図１および図２を参照して第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成について説明する。図１は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。図２は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関において燃焼室内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【００３０】
第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関１０は、内部に複数のシリンダ１１を有するシリンダブロック１２、シリンダ１１内を往復動するピストン１３、シリンダブロック１２の底部に配置されたクランクケース１４、シリンダブロック１２（シリンダ１１）の上部に配置されたシリンダヘッド１５を備えている。シリンダブロック１２には、シリンダ１１内（燃焼室）において発生したノッキングを検出するためのノッキングセンサ５０が備えられている。ノッキングセンサ５０は、例えば、ノッキング発生時に発生する固有振動数を検出することによってノッキングの発生を検出するセンサである。
【００３１】
シリンダヘッド１５は、各シリンダ１１毎に吸気ポート１６および排気ポート１７を有している。各吸気ポート１６には、吸気側カムＩＣによって駆動されて吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１６１が配置されており、各排気ポート１７には、排気側カムＥＣによって駆動されて排気ポート１７を開閉する排気バルブ１７１が配置されている。
【００３２】
各吸気ポート１６には、吸気管１８の分岐端が連結され、各排気ポート１７には、排気管（排気マニホールド）１９の分岐端が連結されている。吸気管１９の途中には、燃焼室への流入吸気量を制御する吸気制御バルブ３０、吸気制御バルブ３０のスロットル開度を検出するスロットル開度センサ５１が配置されている。
【００３３】
各吸気ポート１６には主燃料であるガソリン燃料を噴射するための燃料噴射弁ＩＪが配置されている。すなわち、第１の実施例に用いられる内燃機関１０はポート噴射タイプの内燃機関である。各燃料噴射弁ＩＪには、燃料デリバリパイプＦＤを介して燃料が供給される。
【００３４】
シリンダヘッド１５には、吸気ポート１６の近傍に水素ガスをシリンダ１１内に直接噴射するための水素噴射弁ＨＩＪ、各シリンダ１１の略中心位置に火花点火のための点火プラグ３１が配置されている。第１の実施例では、主燃料であるガソリンに加えて、内燃機関の運転状態に応じて水素が供給される。水素は自着火温度が高く耐ノッキング性に優れているという特性を有している。自着火温度が高いことにより、シリンダ１１の内周壁におけるガソリン混合気の自着火を抑制することができる。また、燃焼速度が高いことにより、着火後の火炎伝播時間は短くなり、シリンダ１１の内周壁におけるガソリン混合気が自着火する前に火炎伝播によって燃焼させることができる。したがって、供給量、シリンダ１１（燃焼室）内における供給位置を適切に調整することによってノッキングを抑制・防止することができる。
【００３５】
水素噴射弁ＨＩＪには、高圧水素タンクＨＴに貯蔵されている水素が減圧弁等によって所定の圧力（噴射圧力：例えば４〜５Ｍｐａ）まで減圧された後に、水素デリバリパイプＨＦＤを介して供給される。水素噴射弁ＨＩＪには３つの噴射孔が備えられており、水素ガスは図２に示すように、点火プラグ３１の近傍とシリンダ１１の内壁とにそれぞれ供給される。一般的に、ノッキングはシリンダ１１の内壁（ピストンヘッド面の外周縁）において発生しやすいので、水素をシリンダ１１の内壁に供給すると共に、点火プラグ３１の近傍に供給することでガソリン混合気の着火性を向上させる。この結果、点火時期を進角させても燃焼速度が高いことから十分な火炎伝播を得ることができると共に、シリンダ１１の内壁に在るガソリンの自着火の抑制および燃焼の向上を図ることができるので、内燃機関１０におけるノッキングを抑制することができる。
【００３６】
制御ユニット４０は、演算処理機能（ＣＰＵ）、マップ、プログラム等を格納する記憶機能（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を備えている。制御ユニット４０には、ノッキングセンサ５０、スロットル開度センサ５１、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ５２といった各種センサが接続されており、内燃機関１０の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。制御ユニット４０には、燃料噴射弁ＩＪ、水素噴射弁ＨＪ、吸気制御バルブ３０、点火プラグ３１が接続されており、ガソリンおよび水素供給量、ガソリンおよび水素の噴射時期、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。
【００３７】
第１の実施例に係る内燃機関１０における運転制御処理について図３〜図８を参照して説明する。図３は第１の実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図４は機関回転数Ｎｅに基づいて水素熱量割合ＲH2（％）を求めるためのマップの一例を示す説明図である。図５はノッキング発生時期と添加される水素の割合（熱量割合）との関係を示す説明図である。図６は水素噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図７はガソリン噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図８は第１の実施例において、ガソリンに水素を添加することにより改善される出力トルク特性を示す説明図である。
【００３８】
図３を参照して内燃機関の運転制御処理について説明する。本処理ルーチンは所定の時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット４０は、クランクポジションセンサ５２から機関回転数Ｎｅを取得し、スロットル開度センサ５１からスロットル開度を取得する（ステップＳ１００）。制御ユニット４０は、現在の運転状態に基づいて原ガソリン噴射量Ａａ（ｃｃ／ｓｔ）、原ガソリン噴射終了時期Ｂｇ（°ＡＴＤＣ）を取得する（ステップＳ１１０）。制御ユニット４０は、検出されたスロットル開度に基づいて空燃比Ａ／Ｆを取得する（ステップＳ１２０）。スロットル開度と空燃比Ａ／Ｆとは、例えば、パーシャルスロットル開度域ではＡ／Ｆ＝１４．５とし、スロットル全開域ではＡ／Ｆ＝１２．５と関係づけられている。なお、この他の空燃比を取り得ることは言うまでもない。
【００３９】
制御ユニット４０は、ノッキングセンサ５０によって内燃機関１０におけるノッキングが検出されたか否かを判定し（ステップＳ１３０）、ノッキングは発生していない（検出されていない）と判定した場合には（ステップＳ１３０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。ノッキングセンサ５０によるノッキングの検出は、ノッキングにより発生する固有振動数を検出することにより行われ、例えば、第１の実施例では、ノッキング発生時の固有振動数に共振する振動センサを備えることによってノッキングに伴う固有振動数をより正確に検出する。
【００４０】
制御ユニット４０は、ノッキングが発生していると判定した場合には（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）、図４に示すマップを用いて検出された機関回転数Ｎｅに基づいて添加（供給）すべき水素の熱量割合ＲH2を決定する（ステップＳ１４０）。一般的に、火花点火式内燃機関では、機関回転数が高くなるにつれてノッキングは発生し難くなるので、図４に示すように機関回転数Ｎｅが低くなるにつれて水素の熱量割合ＲH2が増加する。すなわち、機関回転数の上昇と共にピストンスピードが増加するため、シリンダ１１内における混合気の乱れが増大され燃上速度が向上し、また、ノッキングが発生する領域（ピストンヘッド、シリンダ内壁、伝播火炎によって囲まれた領域）の単位時間当たりの容積が大きくなり、圧縮の度合いが軽減されるからである。
【００４１】
水素の熱量割合ＲH2は、内燃機関１０に要求される全熱量、すなわち、従来はガソリンが燃焼することにより発生する熱量、の１０％〜３０％の範囲、より好ましくは１５％〜２５％の範囲で決定される。図５は、機関回転数１，６００ｒｐｍ、スロットル全開の時、すなわち低回転高負荷時における水素の熱量割合ＲH2とノッキングが発生する点火時期（°ＢＴＤＣ）との関係を示しており、縦軸の＋方向は°ＢＴＤＣが大きくなる方向、すなわち進角方向を示す。また、図５において中黒丸はノッキングが発生しないポイントであることを意味し白抜き丸はノッキングが発生するポイントであることを意味する。図５から、最も出力を得ることができる点火時期（ＭＢＴ）付近まで点火時期を進めてもノッキングが発生しない水素の熱量割合ＲH2は、約１０〜３０％、より好ましくは約１５〜２５％であることがわかる。したがって、ガソリンに対する水素の供給量は、熱量換算にて従来のガソリンの供給量（要求される全熱量）に対する１０％〜３０％の範囲が好ましく、より好ましくは１５％〜２５％の範囲であると言える。なお、図５および図８を用いた説明において「遅角」とはある点火時期に対して点火時期を遅らせること、「進角」とはある点火時期に対して点火時期を進めることを意味する。
【００４２】
水素の熱量割合が少なすぎる場合には、シリンダ１１（燃焼室）内に十分な水素が行き渡らないので燃焼速度の向上を図ることができず、図５に示すように、ＭＢＴがノッキング発生点火時期よりも進角側に位置するのでＭＢＴでは点火することができず、得られる出力は低下してしまう。
【００４３】
一方、水素の熱量割合が多すぎる場合には、点火後初期の燃焼が速くなりすぎるため、圧縮された高温混合気が一時に燃焼し、シリンダ１１内の温度が大幅に上昇してノッキングが発生しやすくなる。したがって、ノッキングを防止するためには、点火時期を遅らせて緩慢な燃焼をさせなければならず、点火時期を大幅に進ませることができない。このため、ＭＢＴがノッキング発生点火時期よりも進角側に位置するのでＭＢＴでは点火することができず、出力が低下してしまう。したがって、ノッキングを回避しつつ、ＭＢＴ近傍で点火を実行するための水素の熱量割合ＲH2には、約１０〜３０％、より好ましくは約１５〜２５％といった適正範囲が存在する。
【００４４】
制御ユニット４０は、水素の熱量割合ＲH2を決定すると、水素を噴射するための水素噴射制御（ステップＳ１５０）およびガソリンを噴射するためのガソリン噴射制御（ステップＳ１６０）をそれぞれ実行する。水素噴射制御およびガソリン噴射制御については図６および図７を参照して以下に詳述する。
【００４５】
制御ユニット４０は、依然としてノッキングが発生しているか否かをノッキングセンサ５０からの検出信号に基づいて判定し（ステップＳ１７０）、ノッキングが発生していると判定した場合には（ステップＳ１７０：Ｙｅｓ）、現在の水素熱量割合ＲH2に対して係数α（＞１）を乗じて水素熱量割合ＲH2を増加させて（ステップＳ１８０）、水素噴射制御およびガソリン噴射制御（ステップＳ１５０，Ｓ１６０）を再度実行する。制御ユニット４０は、ノッキングが発生していないと判定した場合には（ステップＳ１７０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。
【００４６】
図６を参照して水素噴射制御処理について詳細に説明する。制御ユニット４０は、水素供給熱量Ｆｈ（Ｊ／ｓｔ）を算出し（ステップＳ１５００）、算出した水素供給熱量Ｆｈを用いて水素供給量Ａｈ（ｃｃ／ｓｔ）を算出する（ステップＳ１５１０）。水素供給熱量Ｆｈは、先に求めた原ガソリン噴射量Ａａとガソリン低位発熱量Ｈｇ（Ｊ／ｃｃ）とによって求められた全体供給熱量Ｆａ（Ｊ／ｓｔ）と水素の熱量割合ＲH2とを用いて以下の式から求められる。
Ｆａ＝Ａａ×Ｈｇ 式（１）
Ｆａ＝Ｆｈ＋Ｆｇ 式（２）
Ｆｈ／Ｆｇ＝ＲH2 式（３）
ここで、ガソリン低位発熱量Ｈｇは、ガソリン成分のみによって得られる発熱量を示し、規定の値が用いられる。
【００４７】
水素供給熱量Ａｈは、ステップＳ１５００にて得られた水素供給熱量Ｆｈと水素低位発熱量Ｈｈ（Ｊ／ｃｃ）とを用いて以下の式から求められる。
Ａｈ＝Ｆｈ／Ｈｈ 式（４）
ここで、水素低位発熱量Ｈｈは、水素成分のみによって得られる発熱量を示し、規定の値が用いられる。
【００４８】
制御ユニット４０は、求められた水素供給量Ａｈを供給するために必要な水素噴射時間τｈ（ｍｓ）を求め、検出された機関回転数Ｎｅと求められた水素噴射時間τｈとに基づいて水素を噴射し続けるクランク角である水素噴射クランク角θｈ（°ＣＡ）を算出する（ステップＳ１５２０）。水素噴射時間τｈは、例えば、水素デリバリパイプＨＦＤの圧力を検出し、検出した圧力下において水素供給量Ａｈを噴射するために要する時間として求められる。
【００４９】
制御ユニット４０は、求めた水素噴射クランク角θｈと予め定められている水素噴射終了クランク角度Ｂｈとを用いて以下の式から水素の噴射を開始する水素噴射開始クランク角度Ｓｈ（°ＢＴＤＣ）を算出する（ステップＳ１５３０）。
Ｓｈ＝Ｂｈ＋θｈ 式（５）
ここで、水素噴射終了クランク角度Ｂｈは、ピストン１３上、またはピストン１３のキャビティにおける混合気の巻き上がりが良い角度で良く、例えば、４０°ＢＴＤＣ、すなわち、圧縮行程後半が好ましい。また、気体である水素ガスをシリンダ１１内に噴射することからも、吸気バルブ１６１が閉弁した後であることが望まれる。
【００５０】
制御ユニット４０は、決定された水素噴射開始クランク角度Ｓｈに水素インジェクタＨＩＪを開弁駆動し、水素噴射終了クランク角度Ｂｈに水素インジェクタＨＩＪを閉弁させて（ステップＳ１５４０）、本処理ルーチンを終了する。
【００５１】
図７を参照してガソリン噴射制御処理について詳細に説明する。制御ユニット４０は、ガソリン供給熱量Ｆｇ（Ｊ／ｓｔ）を算出し（ステップＳ１６００）、算出したガソリン供給熱量Ｆｇを用いてガソリン供給量Ａｇ（ｃｃ／ｓｔ）を算出する（ステップＳ１６１０）。ガソリン供給熱量Ｆｇは、既述の式（１）〜（３）を用いて算出されても良く、あるいは、先に水素供給熱量Ｆｈが求められている場合には、既述の式（２）を用いて求めても良い。
【００５２】
ガソリン供給量Ａｇは、ステップＳ１６００にて得られたガソリン供給熱量Ｆｇとガソリン低位発熱量Ｈｈ（Ｊ／ｃｃ）とを用いて以下の式から求められる。
Ａｇ＝Ｆｇ／Ｈｇ 式（６）
【００５３】
制御ユニット４０は、求められたガソリン供給量Ａｇを供給するために必要なガソリン噴射時間τｇ（ｍｓ）を求め、検出された機関回転数Ｎｅと求められたガソリン噴射時間τｇとに基づいてガソリンを噴射し続けるクランク角であるガソリン噴射クランク角θｇ（°ＣＡ）を算出する（ステップＳ１６２０）。ガソリン噴射時間τｇは、例えば、ガソリンデリバリパイプＦＤの圧力を検出し、検出した圧力下においてガソリン供給量Ａｇを噴射するために要する時間として求められる。
【００５４】
制御ユニット４０は、求めたガソリン噴射クランク角θｇと先に取得した原ガソリン噴射終了クランク角度Ｂｇとを用いて以下の式から、ガソリンの噴射を開始するガソリン噴射開始クランク角度Ｓｇ（°ＢＴＤＣ）を算出する（ステップＳ１６３０）。
Ｓｇ＝Ｂｇ＋θｇ 式（７）
【００５５】
制御ユニット４０は、決定されたガソリン噴射開始クランク角度ＳｇにガソリンインジェクタＩＪを開弁駆動し、ガソリン噴射終了クランク角度ＢｈにガソリンインジェクタＩＪを閉弁させて（ステップＳ１６４０）、本処理ルーチンを終了する。なお、燃料噴射弁ＩＪおよび水素噴射弁ＨＩＪから噴射され生成されたガソリン、水素および空気の混合気に対しては、点火プラグ３１によって火花点火が実行される。制御ユニット４０によって実行される点火時期は、ＭＢＴとなり、内燃機関１０は効率の良い燃焼を実行することができる。
【００５６】
以上説明したように第１の実施例に係る内燃機関によれば、主燃料であるガソリンに加えて、ガソリンのみを供給する場合に要求される全要求熱量に対して、熱量換算にて約１０％〜３０％、好ましくは約１５〜２５％の水素を供給するので、一般的なレギュラーガソリンを用いた場合であっても、内燃機関の全運転領域で、最大出力を低下させることなくノッキングを抑制・回避することができる。
【００５７】
すなわち、水素を添加することによって、混合気の燃焼速度が向上されるので、図８に示すように、点火時期に対する発生トルクの特性線を左上方（遅角側）へシフトされる。この結果、ＭＢＴは、ガソリンのみを燃料とした場合のノッキング発生点火時期よりも遅角側に移動するため、点火時期を従来の点火時期（ノック点）よりも大幅に進ませても出力を低下させるおそれはない。従来のノッキング回避技術においても点火時期を遅らせることは実行されてきたが、ガソリンの燃焼速度は水素の燃焼速度よりも遅いため、行きすぎた遅角化は出力の大幅な低下をもたらすため遅角化にも限界があった。
【００５８】
また、点火時期に対する発生トルクの特性線を左上方（遅角側）へシフトされるので、図８に示すように、点火プラグ３１による火花点火の時期をＭＢＴとしてもノッキングは発生しない。したがって、ノッキングを発生を抑制・回避すると共に内燃機関１０の出力特性を向上させることができる。
【００５９】
さらに、図８に示すように、点火時期の進角・遅角に対する発生トルクの特性線が左上方にシフトされるので、内燃機関１０の発生トルクを増大させることができる。これは、水素の噴射によるシリンダ１１内ガス量の増加および、燃焼が促進されることから爆発時の等容度が増加することによっても出力が増大されることによるものであると考えられる。
【００６０】
また、ノッキングの発生の有無によってノッキングを防止するための水素供給を実行するので、例えば、気温等の個別のコンディションに応じてノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００６１】
・第２の実施例：
図９および図１０を参照して第２の実施例に係る内燃機関について説明する。図９は第２の実施例に係る内燃機関における運転処理制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図１０は機関回転数Ｎｅからノッキング防止遅角量Ｃを求めるために用いられるマップを示す説明図である。なお、第２実施例において用いられる内燃機関の構成は第１の実施例に係る内燃機関１０の構成と同様であるから同一の構成要素には同一の符号を付すことで説明を省略する。
【００６２】
本処理ルーチンは所定の時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット４０は、クランクポジションセンサ５２から機関回転数Ｎｅを取得し、スロットル開度センサ５１からスロットル開度を取得する（ステップＳ２００）。 制御ユニット４０は、取得された機関回転数Ｎｅが判定機関回転数Ｎ０以下であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。制御ユニット４０は、Ｎｅ＞Ｎ０であると判定した場合には（ステップＳ２１０：Ｎｏ）、水素の噴射を行わずガソリン噴射量を決定する（ステップＳ２２０）。
【００６３】
上述のように火花点火式内燃機関では、機関回転数が高くなるにつれてノッキングは発生し難くなるので、一般的にノッキングが発生しない機関回転数を判定機関回転数Ｎとし、水素添加を実行しない。
【００６４】
制御ユニット４０は、Ｎｅ≦Ｎ０であると判定した場合には（ステップＳ２１０：Ｙｅｓ）、図１０に示すマップを参照して機関回転数Ｎｅからノッキング防止遅角量Ｃを求め、判定ノッキング防止遅角量Ｃ０より大きいか否かを判定する（ステップＳ２３０）。ノッキング防止遅角量Ｃは、ノッキング発生点火時期とＭＢＴとの差分であり、ノッキングを防止するために遅角させなければならない遅角量を意味する。機関回転数が高くなるにつれてノッキングは発生し難くなる様子は、図１０に示すとおり機関回転数Ｎｅが高くなるにつれてノッキング防止遅角量Ｃが小さくなっていくことからも示される。判定ノッキング防止遅角量Ｃ０は、水素熱量割合ＲH2を決定するための判定値であり、判定ノッキング防止遅角量Ｃが判定ノッキング防止遅角量Ｃ０よりも大きい場合には水素熱量割合ＲH2が高く設定される。ここで、水素熱量割合ＲH2とは、内燃機関１０に要求される全熱量をガソリンによって生成した場合の熱量に対して、水素を供給する際に水素の燃焼により生成されるべき熱量の割合を意味する。
【００６５】
制御ユニット４０は、ノッキング防止遅角量Ｃ＞判定ノッキング防止遅角量Ｃ０であると判定した場合には（ステップＳ２３０：Ｙｅｓ）、水素熱量割合ＲH2をＡ％に設定し（ステップＳ２３０Ａ）、ガソリン噴射量と水素噴射量とを決定する（ステップＳ２４０）。ここで、Ａ％は、たとえば、２５％に設定される。かかる場合には、ノッキング防止遅角量Ｃが大きいため、水素の熱量割合ＲH2を高めなければ水素を投入することによる燃焼速度の向上、耐ノッキング性の向上といった効果を得ることができないので、水素供給量の最大許容値近傍の値を設定する。
【００６６】
制御ユニット４０は、ノッキング防止遅角量Ｃ＞判定ノッキング防止遅角量Ｃ０ではないと判定した場合には（ステップＳ２３０：Ｎｏ）、水素熱量割合ＲH2をＢ％に設定し（ステップＳ２３０Ｂ）、ガソリン噴射量と水素噴射量とを決定する（ステップＳ２４０）。ここで、Ｂ％は、たとえば、１５％に設定される。かかる場合には、ノッキング防止遅角量Ｃが比較的小さいため、水素供給量の最小許容値近傍の値を設定する。
【００６７】
ガソリン噴射量と水素噴射量は、第１の実施例において説明したのと同様にして求められる。具体的には、内燃機関１０に要求されるガソリン熱量を全熱量とし、全熱量に対して決定された水素熱量割合ＲH2を実現するための水素供給量を求め、残りの熱量を実現するためのガソリン供給量を求める。
【００６８】
制御ユニット４０は、点火時期をＭＢＴに設定し（ステップＳ２６０）、噴射・点火制御を実行する（ステップＳ２７０）。ガソリンインジェクタＩＪからの噴射は内燃機関１０の吸気行程に実行され、水素インジェクタＨＩＪからの噴射は、内燃機関１０の圧縮行程後半に実行される。また、点火プラグ３１による火花点火は、ＭＢＴに実行される。
【００６９】
制御ユニット４０は、再度、ノッキングセンサ５０によってノッキングが検出されたか（ノッキングが発生したか）を判定し（ステップＳ２８０）、ノッキングは検出されていないと判定した場合には（ステップＳ２８０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。
【００７０】
制御ユニット４０は、ノッキングが検出されたと判定した場合には（ステップＳ２８０：Ｙｅｓ）、水素熱量割合ＲH2が２５％未満であるか否かを判定し（ステップＳ２９０）、水素熱量割合ＲH2が２５％未満であると判定した場合には（ステップＳ２９０：Ｙｅｓ）、水素熱量割合ＲH2を増大させて（ステップＳ２９５）ステップＳ２３０Ｂに移行する。ただし、水素熱量割合ＲH2の上限は２５％である。
【００７１】
一方、制御ユニット４０は、水素熱量割合ＲH2が２５％であると判定した場合には（ステップＳ２９０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。第２の実施例では、水素熱量割合ＲH2の最大値を２５％としているので、水素熱量割合ＲH2が２５％未満の間は水素熱量割合ＲH2を増大させることでノッキングを抑制し、水素熱量割合ＲH2が２５％となった後のノッキングは点火時期の遅角化等によって対応する。
【００７２】
以上説明したように、第２の実施例にかかる内燃機関１０によれば、従来ノッキングが発生するため点火時期をＭＢＴに設定できなかった運転領域、たとえば、低回転高負荷領域においても、水素を適切な割合にてガソリンに添加することによって、ＭＢＴでの点火を実行することができるので、ノッキングを抑制しつつ出力を向上させることができる。
【００７３】
また、一般的にノッキングが発生しがたい高回転域においては、水素の添加を行わないこととして、内燃機関１０の運転制御を簡易なものとすることができる。
【００７４】
・その他の実施例：
上記実施例では、高圧水素タンクＨＴに高圧貯蔵された水素ガスを用いたが、液体水素を用いても良い。また、上記実施例では、純水素を用いたが、内燃機関１０に改質器を搭載し、改質器によって生成された水素リッチガスを用いても良い。かかる場合には、適切な水素リッチガスの熱量割合は新たに設定される。
【００７５】
上記実施例では、主燃料としてガソリンを用いているが天然ガス燃料、液化石油燃料等を用いても良い。燃焼時における生成熱量がガソリンと同様であれば、水素熱量割合ＲH2は１０〜３０％が好ましく、１５〜２５％がより好ましい。また、燃焼時における生成熱量がガソリンと異なる燃料である場合には、燃焼時における生成熱量に応じて、水素熱量割合ＲH2は適宜決定される。
【００７６】
上記実施例では、ポート噴射タイプの燃料噴射弁ＩＪが用いられているが、シリンダ１１内に直接燃料が噴射される直噴タイプの燃料噴射弁が用いられても良い。
【００７７】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関において燃焼室内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図３】第１の実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】機関回転数Ｎｅに基づいて水素熱量割合ＲH2（％）を求めるためのマップの一例を示す説明図である。
【図５】ノッキング発生時期と添加される水素の割合（熱量割合）との関係を示す説明図である。
【図６】水素噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】ガソリン噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】第１の実施例において、ガソリンに水素を添加することにより改善される出力トルク特性を示す説明図である。
【図９】第２の実施例に係る内燃機関における運転処理制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】機関回転数Ｎｅからノッキング防止遅角量Ｃを求めるために用いられるマップを示す説明図である。
【符号の説明】
１０…内燃機関
１１…シリンダ
１２…シリンダブロック
１３…ピストン
１４…クランクケース
１５…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６１…吸気バルブ
１７…排気ポート
１７１…排気バルブ
１８…吸気管
１９…排気管
３０…吸気制御バルブ
３１…点火プラグ
４０…制御ユニット
５０…ノッキングセンサ
５１…スロットル開度センサ
５２…クランクポジションセンサ
ＩＣ…吸気側カム
ＥＣ…排気側カム
ＩＪ…燃料噴射弁（インジェクタ）
ＦＤ…燃料デリバリパイプ
ＨＩＪ…水素噴射弁
ＨＦＤ…水素デリバリパイプ
ＨＴ…高圧水素タンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式の内燃機関においてノッキングの発生を抑制する内燃機関およびノッキングを抑制する燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とするガソリン内燃機関を始めとする火花点火式内燃機関では、ノッキングの発生は、全負荷時における最大出力を低下させる最も大きな要因であり、従来より数多くのノッキング防止技術が提案されている。
【０００３】
ノッキングは、一般的に、ガソリン燃料（混合気）が、ピストンヘッドと気筒（シリンダ）内壁と伝播火炎とによって囲まれて温度並びに作用する圧力が上昇することによって自着火温度に到達し、火花点火により生成された火炎の伝播による着火よりも先に、自着火により着火してしまうことにより発生する。
【０００４】
したがって、圧縮比を下げること、自着火温度（オクタン価）の高いガソリン燃料（いわゆる、ハイオクガソリン）を使用することによりノッキングを抑制・回避することが考えられる。また、ノッキングは、シリンダ内（燃焼室）の圧力が上昇する燃焼の後半において発生するため、燃焼速度を上げることによりノッキングを抑制・回避することも考えられる。一方、水等のアンチノック剤を気筒内へ噴霧することによって筒内温度を低下させる技術も提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２７１６７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮比を下げれば最大出力が低下してしまうという問題があり、ハイオクガソリンはレギュラーガソリンよりも高くランニングコストがかさむという問題がある。また、単に燃焼速度を向上させた場合には、シリンダ内における燃焼が急激に起こるため、シリンダ内の温度が上昇し、却ってノッキングが発生しやすくなるという問題がある。さらに、筒内温度を低下させる場合には、熱効率が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、火花点火式内燃機関において、水素または水素リッチガスを主燃料に添加して出力特性を損なうことなくノッキングを抑制・解消することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第１の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定する要求熱量決定手段と、熱量換算にて、前記全熱量の１０％から３０％に相当する量の水素を前記気筒内に直接、供給する水素供給装置と、熱量換算にて、前記全熱量から前記水素による熱量を除いた９０％から７０％に相当する量の主燃料を供給する主燃料供給装置と、前記主燃料と水素とを含む混合気に火花点火する火花点火装置とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る内燃機関によれば、水素供給装置によって気筒内に直接供給された全熱量の１０％から３０％に相当する量の水素と、主燃料供給装置によって供給された全熱量から前記水素による熱量を除いた９０％から７０％に相当する量の主燃料との混合気に対して火花点火を実行するので、出力特性を損なうことなく、ノッキングを抑制・防止することができる。水素の供給量が熱量換算にて全熱量の１０％未満の領域では、混合気の燃焼速度が向上されないため点火時期を進ませる（早める）ことができず、最も出力が得られる点火時期に点火処理を実行することができない。水素の供給量が熱量換算にて全熱量の３０％を超える領域では、混合気の燃焼速度が高くなりすぎて、混合気が急激に燃焼して気筒内の温度が上昇し、却ってノッキングが発生してしまう。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る内燃機関において、前記水素供給装置は、前記火花点火装置近傍および前記気筒の内周縁部に対して前記水素を供給しても良い。かかる場合には、火花点火装置近傍に供給された水素は、混合気の着火性を高め、また燃焼速度を高めることによって、最も出力が得られる点火時期での点火を可能にすると共に良好な火炎伝播によってノッキングを抑制・防止する。また、気筒の内周縁部に供給された水素は、気筒の内周縁部における燃焼を最後まで促進させることによって、また自らの耐ノック性によって気筒の内周縁部におけるノッキングを抑制・防止する。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油燃料であっても良い。かかる場合にも、ガソリン燃料を用いた場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００１２】
本発明の第１の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第１の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定し、熱量換算にて、前記全熱量の１０％から３０％に相当する量の水素を前記内燃機関の気筒内に直接、供給し、熱量換算にて、前記全熱量から前記水素による熱量を除いた９０％から７０％に相当する量の主燃料を供給し、前記主燃料と水素とを含む混合気に火花点火することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第２の態様に係る内燃機関は、主燃料を供給する主燃料供給装置と、水素ガスを前記気筒内に直接、供給する水素ガス供給装置と、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火する火花点火装置と、前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記水素ガス供給装置を制御する制御装置であって、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数以上である場合には、前記水素ガス供給装置による水素ガスの供給を行わない制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る内燃機関によれば、機関回転数がノッキングが発生する機関回転数以上である場合には、水素ガス供給装置による水素ガスの供給を行わないので、ノッキングが発生しない領域における無駄な水素供給を防止することができると共に、水素供給により生じるノッキングを防止することができる。
【００１５】
本発明の第２の態様に係る内燃機関において、前記制御装置は、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記水素ガス供給装置による水素ガスの供給を行っても良い。かかる場合には、水素ガスを供給することによって混合気の燃焼速度の向上、耐ノッキング性を向上させることが可能となり、火花点火式内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る内燃機関において、前記火花点火装置は、最も出力を得られる点火時期（ＭＢＴ）に火花点火を実行しても良い。水素ガスを供給することによって耐ノッキング性が向上されるので、ＭＢＴにおいて点火してもノッキングは発生せず、内燃機関の出力特性を向上させることができる。
【００１７】
本発明の第２の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第２の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関の機関回転数を検出し、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記内燃機関に対して主燃料を供給すると共に水素ガスを前記内燃機関の気筒内に直接供給し、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火することを特徴とする。
【００１８】
本発明の第３の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第３の態様に係る内燃機関は、主燃料を供給する主燃料供給装置と、水素ガスを前記気筒内に直接、供給する水素ガス供給装置と、前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記検出された機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得する取得手段と、前記取得した差分に基づいて前記水素ガス供給装置によって供給する水素ガス量を決定する決定手段と、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に対して、前記最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行する火花点火装置とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第３の態様に係る内燃機関によれば、検出された内燃機関の機関回転数において最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を求め、求められた差分に基づいて水素ガス供給装置によって供給する水素ガス量を決定するので、最も出力を得られる点火時期において火花点火を実行してもノッキングを防止することができる。また、主燃料と水素ガスとを含む混合気に対して、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行するので、出力を損なうことなく、ノッキングを抑制・防止することができる。
【００２０】
本発明の第３の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料であり、前記水素ガス供給装置によって供給される水素ガスの量は、熱量換算において、前記内燃機関において要求される全熱量の１０〜３０％の範囲であっても良い。かかる範囲において、最も効果的に、水素ガスを供給することによるノッキング抑制・防止を図ることができる。
【００２１】
本発明の第３の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第３の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関の機関回転数を検出し、前記検出した機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得し、前記取得した差分に基づいて前記水素ガス供給装置によって供給する水素ガス量を決定し、前記内燃機関に対して主燃料を供給すると共に前記決定された量の水素ガスを前記内燃機関の気筒内に直接供給し、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に対して、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行することを特徴とする。
【００２２】
本発明の第４の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第４の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出するノッキング検出器と、前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記ノッキング検出器によってノッキングの発生が検出された場合には、前記検出された機関回転数に基づいて供給すべき水素ガス量および主燃料量を決定する燃料供給量決定手段と、前記決定された量の水素ガスを、前記気筒内に直接、供給する水素ガス供給装置と、前記決定された量の主燃料を供給する主燃料供給装置と、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火する火花点火装置とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第４の態様に係る内燃機関によれば、ノッキング検出器によってノッキングが検出された場合には、機関回転数に基づいて供給すべき水素ガス量を求め、決定された量の水素ガスを、気筒内に直接、供給すると共に、決定された量の主燃料を供給し、主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火するので、ノッキングを抑制・防止することができる。
【００２４】
本発明の第４の態様に係る内燃機関において、前記水素ガスリッチガス供給手段は、前記内燃機関の圧縮行程において前記気筒内に水素ガスを供給しても良い。かかる場合には、気筒内への空気の吸気を妨げることなく水素ガスを気筒内に供給することができる。
【００２５】
本発明の第４の態様に係る内燃機関において、
前記燃料供給量決定手段は、
前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定する要求熱量決定手段と、
前記検出された機関回転数に基づいて前記全熱量に対する水素ガスリッチガスの熱量割合を決定する熱量割合決定手段と、
前記決定された水素ガスの熱量割合に相当する水素ガス量を決定する水素ガス量決定手段と、
前記全熱量と前記水素ガスの熱量割合とから主燃料の熱量割合を求め、求めた主燃料の熱量割合に相当する主燃料量を決定する主燃料量決定手段とを備えても良い。かかる場合には、内燃機関に要求される全熱量を変化させることなく水素ガスの熱量割合を決定し、水素ガスの供給量および主燃料の供給量を決定することができる。
【００２６】
本発明の第４の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料であり、前記熱量割合決定手段によって決定される水素ガスの熱量割合は、前記全熱量の１０〜３０％の範囲であっても良い。かかる場合には、最も広く用いられているガソリン内燃機関において、出力を損なうことなく、ノッキングの発生を抑制・防止することができる。また、かかる範囲において、最も効果的に、水素ガスを供給することにより、出力を低下させることなくノッキングの抑制・防止を図ることができる。
【００２７】
本発明の第４の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第４の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出し、前記内燃機関の機関回転数を検出し、ノッキングの発生が検出された場合には、前記検出した機関回転数に基づいて供給すべき水素ガス量および主燃料量を決定し、前記内燃機関に対して決定された量の主燃料を供給すると共に前記決定した量の水素ガスを前記気筒内に直接供給し、前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火しても良い。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る火花点火式の内燃機関について説明する。
【００２９】
・第１の実施例：
図１および図２を参照して第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成について説明する。図１は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。図２は第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関において燃焼室内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【００３０】
第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関１０は、内部に複数のシリンダ１１を有するシリンダブロック１２、シリンダ１１内を往復動するピストン１３、シリンダブロック１２の底部に配置されたクランクケース１４、シリンダブロック１２（シリンダ１１）の上部に配置されたシリンダヘッド１５を備えている。シリンダブロック１２には、シリンダ１１内（燃焼室）において発生したノッキングを検出するためのノッキングセンサ５０が備えられている。ノッキングセンサ５０は、例えば、ノッキング発生時に発生する固有振動数を検出することによってノッキングの発生を検出するセンサである。
【００３１】
シリンダヘッド１５は、各シリンダ１１毎に吸気ポート１６および排気ポート１７を有している。各吸気ポート１６には、吸気側カムＩＣによって駆動されて吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１６１が配置されており、各排気ポート１７には、排気側カムＥＣによって駆動されて排気ポート１７を開閉する排気バルブ１７１が配置されている。
【００３２】
各吸気ポート１６には、吸気管１８の分岐端が連結され、各排気ポート１７には、排気管（排気マニホールド）１９の分岐端が連結されている。吸気管１９の途中には、燃焼室への流入吸気量を制御する吸気制御バルブ３０、吸気制御バルブ３０のスロットル開度を検出するスロットル開度センサ５１が配置されている。
【００３３】
各吸気ポート１６には主燃料であるガソリン燃料を噴射するための燃料噴射弁ＩＪが配置されている。すなわち、第１の実施例に用いられる内燃機関１０はポート噴射タイプの内燃機関である。各燃料噴射弁ＩＪには、燃料デリバリパイプＦＤを介して燃料が供給される。
【００３４】
シリンダヘッド１５には、吸気ポート１６の近傍に水素ガスをシリンダ１１内に直接噴射するための水素噴射弁ＨＩＪ、各シリンダ１１の略中心位置に火花点火のための点火プラグ３１が配置されている。第１の実施例では、主燃料であるガソリンに加えて、内燃機関の運転状態に応じて水素が供給される。水素は自着火温度が高く耐ノッキング性に優れているという特性を有している。自着火温度が高いことにより、シリンダ１１の内周壁におけるガソリン混合気の自着火を抑制することができる。また、燃焼速度が高いことにより、着火後の火炎伝播時間は短くなり、シリンダ１１の内周壁におけるガソリン混合気が自着火する前に火炎伝播によって燃焼させることができる。したがって、供給量、シリンダ１１（燃焼室）内における供給位置を適切に調整することによってノッキングを抑制・防止することができる。
【００３５】
水素噴射弁ＨＩＪには、高圧水素タンクＨＴに貯蔵されている水素が減圧弁等によって所定の圧力（噴射圧力：例えば４〜５Ｍｐａ）まで減圧された後に、水素デリバリパイプＨＦＤを介して供給される。水素噴射弁ＨＩＪには３つの噴射孔が備えられており、水素ガスは図２に示すように、点火プラグ３１の近傍とシリンダ１１の内壁とにそれぞれ供給される。一般的に、ノッキングはシリンダ１１の内壁（ピストンヘッド面の外周縁）において発生しやすいので、水素をシリンダ１１の内壁に供給すると共に、点火プラグ３１の近傍に供給することでガソリン混合気の着火性を向上させる。この結果、点火時期を進角させても燃焼速度が高いことから十分な火炎伝播を得ることができると共に、シリンダ１１の内壁に在るガソリンの自着火の抑制および燃焼の向上を図ることができるので、内燃機関１０におけるノッキングを抑制することができる。
【００３６】
制御ユニット４０は、演算処理機能（ＣＰＵ）、マップ、プログラム等を格納する記憶機能（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を備えている。制御ユニット４０には、ノッキングセンサ５０、スロットル開度センサ５１、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ５２といった各種センサが接続されており、内燃機関１０の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。制御ユニット４０には、燃料噴射弁ＩＪ、水素噴射弁ＨＪ、吸気制御バルブ３０、点火プラグ３１が接続されており、ガソリンおよび水素供給量、ガソリンおよび水素の噴射時期、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。
【００３７】
第１の実施例に係る内燃機関１０における運転制御処理について図３〜図８を参照して説明する。図３は第１の実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図４は機関回転数Ｎｅに基づいて水素熱量割合ＲH2（％）を求めるためのマップの一例を示す説明図である。図５はノッキング発生時期と添加される水素の割合（熱量割合）との関係を示す説明図である。図６は水素噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図７はガソリン噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図８は第１の実施例において、ガソリンに水素を添加することにより改善される出力トルク特性を示す説明図である。
【００３８】
図３を参照して内燃機関の運転制御処理について説明する。本処理ルーチンは所定の時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット４０は、クランクポジションセンサ５２から機関回転数Ｎｅを取得し、スロットル開度センサ５１からスロットル開度を取得する（ステップＳ１００）。制御ユニット４０は、現在の運転状態に基づいて原ガソリン噴射量Ａａ（ｃｃ／ｓｔ）、原ガソリン噴射終了時期Ｂｇ（°ＡＴＤＣ）を取得する（ステップＳ１１０）。制御ユニット４０は、検出されたスロットル開度に基づいて空燃比Ａ／Ｆを取得する（ステップＳ１２０）。スロットル開度と空燃比Ａ／Ｆとは、例えば、パーシャルスロットル開度域ではＡ／Ｆ＝１４．５とし、スロットル全開域ではＡ／Ｆ＝１２．５と関係づけられている。なお、この他の空燃比を取り得ることは言うまでもない。
【００３９】
制御ユニット４０は、ノッキングセンサ５０によって内燃機関１０におけるノッキングが検出されたか否かを判定し（ステップＳ１３０）、ノッキングは発生していない（検出されていない）と判定した場合には（ステップＳ１３０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。ノッキングセンサ５０によるノッキングの検出は、ノッキングにより発生する固有振動数を検出することにより行われ、例えば、第１の実施例では、ノッキング発生時の固有振動数に共振する振動センサを備えることによってノッキングに伴う固有振動数をより正確に検出する。
【００４０】
制御ユニット４０は、ノッキングが発生していると判定した場合には（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）、図４に示すマップを用いて検出された機関回転数Ｎｅに基づいて添加（供給）すべき水素の熱量割合ＲH2を決定する（ステップＳ１４０）。一般的に、火花点火式内燃機関では、機関回転数が高くなるにつれてノッキングは発生し難くなるので、図４に示すように機関回転数Ｎｅが低くなるにつれて水素の熱量割合ＲH2が増加する。すなわち、機関回転数の上昇と共にピストンスピードが増加するため、シリンダ１１内における混合気の乱れが増大され燃上速度が向上し、また、ノッキングが発生する領域（ピストンヘッド、シリンダ内壁、伝播火炎によって囲まれた領域）の単位時間当たりの容積が大きくなり、圧縮の度合いが軽減されるからである。
【００４１】
水素の熱量割合ＲH2は、内燃機関１０に要求される全熱量、すなわち、従来はガソリンが燃焼することにより発生する熱量、の１０％〜３０％の範囲、より好ましくは１５％〜２５％の範囲で決定される。図５は、機関回転数１，６００ｒｐｍ、スロットル全開の時、すなわち低回転高負荷時における水素の熱量割合ＲH2とノッキングが発生する点火時期（°ＢＴＤＣ）との関係を示しており、縦軸の＋方向は°ＢＴＤＣが大きくなる方向、すなわち進角方向を示す。また、図５において中黒丸はノッキングが発生しないポイントであることを意味し白抜き丸はノッキングが発生するポイントであることを意味する。図５から、最も出力を得ることができる点火時期（ＭＢＴ）付近まで点火時期を進めてもノッキングが発生しない水素の熱量割合ＲH2は、約１０〜３０％、より好ましくは約１５〜２５％であることがわかる。したがって、ガソリンに対する水素の供給量は、熱量換算にて従来のガソリンの供給量（要求される全熱量）に対する１０％〜３０％の範囲が好ましく、より好ましくは１５％〜２５％の範囲であると言える。なお、図５および図８を用いた説明において「遅角」とはある点火時期に対して点火時期を遅らせること、「進角」とはある点火時期に対して点火時期を進めることを意味する。
【００４２】
水素の熱量割合が少なすぎる場合には、シリンダ１１（燃焼室）内に十分な水素が行き渡らないので燃焼速度の向上を図ることができず、図５に示すように、ＭＢＴがノッキング発生点火時期よりも進角側に位置するのでＭＢＴでは点火することができず、得られる出力は低下してしまう。
【００４３】
一方、水素の熱量割合が多すぎる場合には、点火後初期の燃焼が速くなりすぎるため、圧縮された高温混合気が一時に燃焼し、シリンダ１１内の温度が大幅に上昇してノッキングが発生しやすくなる。したがって、ノッキングを防止するためには、点火時期を遅らせて緩慢な燃焼をさせなければならず、点火時期を大幅に進ませることができない。このため、ＭＢＴがノッキング発生点火時期よりも進角側に位置するのでＭＢＴでは点火することができず、出力が低下してしまう。したがって、ノッキングを回避しつつ、ＭＢＴ近傍で点火を実行するための水素の熱量割合ＲH2には、約１０〜３０％、より好ましくは約１５〜２５％といった適正範囲が存在する。
【００４４】
制御ユニット４０は、水素の熱量割合ＲH2を決定すると、水素を噴射するための水素噴射制御（ステップＳ１５０）およびガソリンを噴射するためのガソリン噴射制御（ステップＳ１６０）をそれぞれ実行する。水素噴射制御およびガソリン噴射制御については図６および図７を参照して以下に詳述する。
【００４５】
制御ユニット４０は、依然としてノッキングが発生しているか否かをノッキングセンサ５０からの検出信号に基づいて判定し（ステップＳ１７０）、ノッキングが発生していると判定した場合には（ステップＳ１７０：Ｙｅｓ）、現在の水素熱量割合ＲH2に対して係数α（＞１）を乗じて水素熱量割合ＲH2を増加させて（ステップＳ１８０）、水素噴射制御およびガソリン噴射制御（ステップＳ１５０，Ｓ１６０）を再度実行する。制御ユニット４０は、ノッキングが発生していないと判定した場合には（ステップＳ１７０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。
【００４６】
図６を参照して水素噴射制御処理について詳細に説明する。制御ユニット４０は、水素供給熱量Ｆｈ（Ｊ／ｓｔ）を算出し（ステップＳ１５００）、算出した水素供給熱量Ｆｈを用いて水素供給量Ａｈ（ｃｃ／ｓｔ）を算出する（ステップＳ１５１０）。水素供給熱量Ｆｈは、先に求めた原ガソリン噴射量Ａａとガソリン低位発熱量Ｈｇ（Ｊ／ｃｃ）とによって求められた全体供給熱量Ｆａ（Ｊ／ｓｔ）と水素の熱量割合ＲH2とを用いて以下の式から求められる。
Ｆａ＝Ａａ×Ｈｇ 式（１）
Ｆａ＝Ｆｈ＋Ｆｇ 式（２）
Ｆｈ／Ｆｇ＝ＲH2 式（３）
ここで、ガソリン低位発熱量Ｈｇは、ガソリン成分のみによって得られる発熱量を示し、規定の値が用いられる。
【００４７】
水素供給熱量Ａｈは、ステップＳ１５００にて得られた水素供給熱量Ｆｈと水素低位発熱量Ｈｈ（Ｊ／ｃｃ）とを用いて以下の式から求められる。
Ａｈ＝Ｆｈ／Ｈｈ 式（４）
ここで、水素低位発熱量Ｈｈは、水素成分のみによって得られる発熱量を示し、規定の値が用いられる。
【００４８】
制御ユニット４０は、求められた水素供給量Ａｈを供給するために必要な水素噴射時間τｈ（ｍｓ）を求め、検出された機関回転数Ｎｅと求められた水素噴射時間τｈとに基づいて水素を噴射し続けるクランク角である水素噴射クランク角θｈ（°ＣＡ）を算出する（ステップＳ１５２０）。水素噴射時間τｈは、例えば、水素デリバリパイプＨＦＤの圧力を検出し、検出した圧力下において水素供給量Ａｈを噴射するために要する時間として求められる。
【００４９】
制御ユニット４０は、求めた水素噴射クランク角θｈと予め定められている水素噴射終了クランク角度Ｂｈとを用いて以下の式から水素の噴射を開始する水素噴射開始クランク角度Ｓｈ（°ＢＴＤＣ）を算出する（ステップＳ１５３０）。
Ｓｈ＝Ｂｈ＋θｈ 式（５）
ここで、水素噴射終了クランク角度Ｂｈは、ピストン１３上、またはピストン１３のキャビティにおける混合気の巻き上がりが良い角度で良く、例えば、４０°ＢＴＤＣ、すなわち、圧縮行程後半が好ましい。また、気体である水素ガスをシリンダ１１内に噴射することからも、吸気バルブ１６１が閉弁した後であることが望まれる。
【００５０】
制御ユニット４０は、決定された水素噴射開始クランク角度Ｓｈに水素インジェクタＨＩＪを開弁駆動し、水素噴射終了クランク角度Ｂｈに水素インジェクタＨＩＪを閉弁させて（ステップＳ１５４０）、本処理ルーチンを終了する。
【００５１】
図７を参照してガソリン噴射制御処理について詳細に説明する。制御ユニット４０は、ガソリン供給熱量Ｆｇ（Ｊ／ｓｔ）を算出し（ステップＳ１６００）、算出したガソリン供給熱量Ｆｇを用いてガソリン供給量Ａｇ（ｃｃ／ｓｔ）を算出する（ステップＳ１６１０）。ガソリン供給熱量Ｆｇは、既述の式（１）〜（３）を用いて算出されても良く、あるいは、先に水素供給熱量Ｆｈが求められている場合には、既述の式（２）を用いて求めても良い。
【００５２】
ガソリン供給量Ａｇは、ステップＳ１６００にて得られたガソリン供給熱量Ｆｇとガソリン低位発熱量Ｈｈ（Ｊ／ｃｃ）とを用いて以下の式から求められる。
Ａｇ＝Ｆｇ／Ｈｇ 式（６）
【００５３】
制御ユニット４０は、求められたガソリン供給量Ａｇを供給するために必要なガソリン噴射時間τｇ（ｍｓ）を求め、検出された機関回転数Ｎｅと求められたガソリン噴射時間τｇとに基づいてガソリンを噴射し続けるクランク角であるガソリン噴射クランク角θｇ（°ＣＡ）を算出する（ステップＳ１６２０）。ガソリン噴射時間τｇは、例えば、ガソリンデリバリパイプＦＤの圧力を検出し、検出した圧力下においてガソリン供給量Ａｇを噴射するために要する時間として求められる。
【００５４】
制御ユニット４０は、求めたガソリン噴射クランク角θｇと先に取得した原ガソリン噴射終了クランク角度Ｂｇとを用いて以下の式から、ガソリンの噴射を開始するガソリン噴射開始クランク角度Ｓｇ（°ＢＴＤＣ）を算出する（ステップＳ１６３０）。
Ｓｇ＝Ｂｇ＋θｇ 式（７）
【００５５】
制御ユニット４０は、決定されたガソリン噴射開始クランク角度ＳｇにガソリンインジェクタＩＪを開弁駆動し、ガソリン噴射終了クランク角度ＢｈにガソリンインジェクタＩＪを閉弁させて（ステップＳ１６４０）、本処理ルーチンを終了する。なお、燃料噴射弁ＩＪおよび水素噴射弁ＨＩＪから噴射され生成されたガソリン、水素および空気の混合気に対しては、点火プラグ３１によって火花点火が実行される。制御ユニット４０によって実行される点火時期は、ＭＢＴとなり、内燃機関１０は効率の良い燃焼を実行することができる。
【００５６】
以上説明したように第１の実施例に係る内燃機関によれば、主燃料であるガソリンに加えて、ガソリンのみを供給する場合に要求される全要求熱量に対して、熱量換算にて約１０％〜３０％、好ましくは約１５〜２５％の水素を供給するので、一般的なレギュラーガソリンを用いた場合であっても、内燃機関の全運転領域で、最大出力を低下させることなくノッキングを抑制・回避することができる。
【００５７】
すなわち、水素を添加することによって、混合気の燃焼速度が向上されるので、図８に示すように、点火時期に対する発生トルクの特性線を左上方（遅角側）へシフトされる。この結果、ＭＢＴは、ガソリンのみを燃料とした場合のノッキング発生点火時期よりも遅角側に移動するため、点火時期を従来の点火時期（ノック点）よりも大幅に進ませても出力を低下させるおそれはない。従来のノッキング回避技術においても点火時期を遅らせることは実行されてきたが、ガソリンの燃焼速度は水素の燃焼速度よりも遅いため、行きすぎた遅角化は出力の大幅な低下をもたらすため遅角化にも限界があった。
【００５８】
また、点火時期に対する発生トルクの特性線を左上方（遅角側）へシフトされるので、図８に示すように、点火プラグ３１による火花点火の時期をＭＢＴとしてもノッキングは発生しない。したがって、ノッキングを発生を抑制・回避すると共に内燃機関１０の出力特性を向上させることができる。
【００５９】
さらに、図８に示すように、点火時期の進角・遅角に対する発生トルクの特性線が左上方にシフトされるので、内燃機関１０の発生トルクを増大させることができる。これは、水素の噴射によるシリンダ１１内ガス量の増加および、燃焼が促進されることから爆発時の等容度が増加することによっても出力が増大されることによるものであると考えられる。
【００６０】
また、ノッキングの発生の有無によってノッキングを防止するための水素供給を実行するので、例えば、気温等の個別のコンディションに応じてノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【００６１】
・第２の実施例：
図９および図１０を参照して第２の実施例に係る内燃機関について説明する。図９は第２の実施例に係る内燃機関における運転処理制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図１０は機関回転数Ｎｅからノッキング防止遅角量Ｃを求めるために用いられるマップを示す説明図である。なお、第２実施例において用いられる内燃機関の構成は第１の実施例に係る内燃機関１０の構成と同様であるから同一の構成要素には同一の符号を付すことで説明を省略する。
【００６２】
本処理ルーチンは所定の時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット４０は、クランクポジションセンサ５２から機関回転数Ｎｅを取得し、スロットル開度センサ５１からスロットル開度を取得する（ステップＳ２００）。 制御ユニット４０は、取得された機関回転数Ｎｅが判定機関回転数Ｎ０以下であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。制御ユニット４０は、Ｎｅ＞Ｎ０であると判定した場合には（ステップＳ２１０：Ｎｏ）、水素の噴射を行わずガソリン噴射量を決定する（ステップＳ２２０）。
【００６３】
上述のように火花点火式内燃機関では、機関回転数が高くなるにつれてノッキングは発生し難くなるので、一般的にノッキングが発生しない機関回転数を判定機関回転数Ｎとし、水素添加を実行しない。
【００６４】
制御ユニット４０は、Ｎｅ≦Ｎ０であると判定した場合には（ステップＳ２１０：Ｙｅｓ）、図１０に示すマップを参照して機関回転数Ｎｅからノッキング防止遅角量Ｃを求め、判定ノッキング防止遅角量Ｃ０より大きいか否かを判定する（ステップＳ２３０）。ノッキング防止遅角量Ｃは、ノッキング発生点火時期とＭＢＴとの差分であり、ノッキングを防止するために遅角させなければならない遅角量を意味する。機関回転数が高くなるにつれてノッキングは発生し難くなる様子は、図１０に示すとおり機関回転数Ｎｅが高くなるにつれてノッキング防止遅角量Ｃが小さくなっていくことからも示される。判定ノッキング防止遅角量Ｃ０は、水素熱量割合ＲH2を決定するための判定値であり、判定ノッキング防止遅角量Ｃが判定ノッキング防止遅角量Ｃ０よりも大きい場合には水素熱量割合ＲH2が高く設定される。ここで、水素熱量割合ＲH2とは、内燃機関１０に要求される全熱量をガソリンによって生成した場合の熱量に対して、水素を供給する際に水素の燃焼により生成されるべき熱量の割合を意味する。
【００６５】
制御ユニット４０は、ノッキング防止遅角量Ｃ＞判定ノッキング防止遅角量Ｃ０であると判定した場合には（ステップＳ２３０：Ｙｅｓ）、水素熱量割合ＲH2をＡ％に設定し（ステップＳ２３０Ａ）、ガソリン噴射量と水素噴射量とを決定する（ステップＳ２４０）。ここで、Ａ％は、たとえば、２５％に設定される。かかる場合には、ノッキング防止遅角量Ｃが大きいため、水素の熱量割合ＲH2を高めなければ水素を投入することによる燃焼速度の向上、耐ノッキング性の向上といった効果を得ることができないので、水素供給量の最大許容値近傍の値を設定する。
【００６６】
制御ユニット４０は、ノッキング防止遅角量Ｃ＞判定ノッキング防止遅角量Ｃ０ではないと判定した場合には（ステップＳ２３０：Ｎｏ）、水素熱量割合ＲH2をＢ％に設定し（ステップＳ２３０Ｂ）、ガソリン噴射量と水素噴射量とを決定する（ステップＳ２４０）。ここで、Ｂ％は、たとえば、１５％に設定される。かかる場合には、ノッキング防止遅角量Ｃが比較的小さいため、水素供給量の最小許容値近傍の値を設定する。
【００６７】
ガソリン噴射量と水素噴射量は、第１の実施例において説明したのと同様にして求められる。具体的には、内燃機関１０に要求されるガソリン熱量を全熱量とし、全熱量に対して決定された水素熱量割合ＲH2を実現するための水素供給量を求め、残りの熱量を実現するためのガソリン供給量を求める。
【００６８】
制御ユニット４０は、点火時期をＭＢＴに設定し（ステップＳ２６０）、噴射・点火制御を実行する（ステップＳ２７０）。ガソリンインジェクタＩＪからの噴射は内燃機関１０の吸気行程に実行され、水素インジェクタＨＩＪからの噴射は、内燃機関１０の圧縮行程後半に実行される。また、点火プラグ３１による火花点火は、ＭＢＴに実行される。
【００６９】
制御ユニット４０は、再度、ノッキングセンサ５０によってノッキングが検出されたか（ノッキングが発生したか）を判定し（ステップＳ２８０）、ノッキングは検出されていないと判定した場合には（ステップＳ２８０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。
【００７０】
制御ユニット４０は、ノッキングが検出されたと判定した場合には（ステップＳ２８０：Ｙｅｓ）、水素熱量割合ＲH2が２５％未満であるか否かを判定し（ステップＳ２９０）、水素熱量割合ＲH2が２５％未満であると判定した場合には（ステップＳ２９０：Ｙｅｓ）、水素熱量割合ＲH2を増大させて（ステップＳ２９５）ステップＳ２３０Ｂに移行する。ただし、水素熱量割合ＲH2の上限は２５％である。
【００７１】
一方、制御ユニット４０は、水素熱量割合ＲH2が２５％であると判定した場合には（ステップＳ２９０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。第２の実施例では、水素熱量割合ＲH2の最大値を２５％としているので、水素熱量割合ＲH2が２５％未満の間は水素熱量割合ＲH2を増大させることでノッキングを抑制し、水素熱量割合ＲH2が２５％となった後のノッキングは点火時期の遅角化等によって対応する。
【００７２】
以上説明したように、第２の実施例にかかる内燃機関１０によれば、従来ノッキングが発生するため点火時期をＭＢＴに設定できなかった運転領域、たとえば、低回転高負荷領域においても、水素を適切な割合にてガソリンに添加することによって、ＭＢＴでの点火を実行することができるので、ノッキングを抑制しつつ出力を向上させることができる。
【００７３】
また、一般的にノッキングが発生しがたい高回転域においては、水素の添加を行わないこととして、内燃機関１０の運転制御を簡易なものとすることができる。
【００７４】
・その他の実施例：
上記実施例では、高圧水素タンクＨＴに高圧貯蔵された水素ガスを用いたが、液体水素を用いても良い。また、上記実施例では、純水素を用いたが、内燃機関１０に改質器を搭載し、改質器によって生成された水素リッチガスを用いても良い。かかる場合には、適切な水素リッチガスの熱量割合は新たに設定される。
【００７５】
上記実施例では、主燃料としてガソリンを用いているが天然ガス燃料、液化石油燃料等を用いても良い。燃焼時における生成熱量がガソリンと同様であれば、水素熱量割合ＲH2は１０〜３０％が好ましく、１５〜２５％がより好ましい。また、燃焼時における生成熱量がガソリンと異なる燃料である場合には、燃焼時における生成熱量に応じて、水素熱量割合ＲH2は適宜決定される。
【００７６】
上記実施例では、ポート噴射タイプの燃料噴射弁ＩＪが用いられているが、シリンダ１１内に直接燃料が噴射される直噴タイプの燃料噴射弁が用いられても良い。
【００７７】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係る火花点火式の内燃機関において燃焼室内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図３】第１の実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】機関回転数Ｎｅに基づいて水素熱量割合ＲH2（％）を求めるためのマップの一例を示す説明図である。
【図５】ノッキング発生時期と添加される水素の割合（熱量割合）との関係を示す説明図である。
【図６】水素噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】ガソリン噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】第１の実施例において、ガソリンに水素を添加することにより改善される出力トルク特性を示す説明図である。
【図９】第２の実施例に係る内燃機関における運転処理制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】機関回転数Ｎｅからノッキング防止遅角量Ｃを求めるために用いられるマップを示す説明図である。
【符号の説明】
１０…内燃機関
１１…シリンダ
１２…シリンダブロック
１３…ピストン
１４…クランクケース
１５…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６１…吸気バルブ
１７…排気ポート
１７１…排気バルブ
１８…吸気管
１９…排気管
３０…吸気制御バルブ
３１…点火プラグ
４０…制御ユニット
５０…ノッキングセンサ
５１…スロットル開度センサ
５２…クランクポジションセンサ
ＩＣ…吸気側カム
ＥＣ…排気側カム
ＩＪ…燃料噴射弁（インジェクタ）
ＦＤ…燃料デリバリパイプ
ＨＩＪ…水素噴射弁
ＨＦＤ…水素デリバリパイプ
ＨＴ…高圧水素タンク
Claims (15)
- 気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関であって、
主燃料を供給する主燃料供給装置と、
水素ガスを前記気筒内に直接、供給する水素ガス供給装置と、
前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、
前記検出された機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得する取得手段と、
前記取得した差分に基づいて前記水素ガス供給装置によって供給する水素ガス量を決定する決定手段と、
前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に対して、前記最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行する火花点火装置とを備える内燃機関。 - 請求項１に記載の内燃機関において、
前記水素ガス供給装置は、前記火花点火装置近傍および前記気筒の内周縁部に対して前記水素ガスを供給する内燃機関。 - 請求項１または２に記載の内燃機関において、
前記水素ガス供給装置は、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数以上である場合には、前記水素ガスの供給を行わない内燃機関。 - 請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関において、
前記水素ガス供給装置は、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記水素ガスの供給を行う内燃機関。 - 請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関において、
前記主燃料はガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油燃料であり、
前記水素ガス供給装置によって供給される水素ガスの量は、熱量換算において、前記内燃機関において要求される全熱量の１０〜３０％の範囲である内燃機関。 - 気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関であって、
前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出するノッキング検出器と、
前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、
前記ノッキング検出器によってノッキングの発生が検出された場合には、前記検出された機関回転数に基づいて供給すべき水素ガス量および主燃料量を決定する燃料供給量決定手段と、
前記決定された量の水素ガスを、前記気筒内に直接、供給する水素ガス供給装置と、
前記決定された量の主燃料を供給する主燃料供給装置と、
前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火する火花点火装置とを備える内燃機関。 - 請求項６に記載の内燃機関において、
前記水素ガス供給手段は、前記内燃機関の圧縮行程において前記気筒内に水素ガスを供給する内燃機関。 - 請求項７に記載の内燃機関において、
前記燃料供給量決定手段は、
前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定する要求熱量決定手段と、
前記検出された機関回転数に基づいて前記全熱量に対する水素ガスの熱量割合を決定する熱量割合決定手段と、
前記決定された水素ガスの熱量割合に相当する水素ガス量を決定する水素ガス量決定手段と、
前記全熱量と前記水素ガスの熱量割合とから主燃料の熱量割合を求め、求めた主燃料の熱量割合に相当する主燃料量を決定する主燃料量決定手段とを備える内燃機関。 - 請求項６から８のいずれかに記載の内燃機関において、
前記水素ガス供給装置は、前記火花点火装置近傍および前記気筒の内周縁部に対して前記水素ガスを供給する内燃機関。 - 請求項６から９のいずれかに記載の内燃機関において、
前記水素ガス供給装置は、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数以上である場合には、前記水素ガスの供給を行わない内燃機関。 - 請求項６から１０のいずれかに記載の内燃機関において、
前記水素ガス供給装置は、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記水素ガスの供給を行う内燃機関。 - 請求項６から請求項１１のいずれかに記載の内燃機関において、
前記火花点火装置は、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行する内燃機関。 - 請求項６から請求項１２のいずれかに記載の内燃機関において、
前記主燃料はガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油燃料であり、
前記熱量割合決定手段によって決定される水素ガスの熱量割合は、前記全熱量の１０〜３０％の範囲である内燃機関。 - 火花点火式内燃機関における燃焼制御方法であって、
前記内燃機関の機関回転数を検出し、
前記検出した機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得し、
前記取得した差分に基づいて供給する水素ガス量を決定し、
前記内燃機関に対して主燃料を供給すると共に前記決定された量の水素ガスを前記内燃機関の気筒内に直接供給し、
前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に対して、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行する方法。 - 火花点火式内燃機関における燃焼制御方法であって、
前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出し、
前記内燃機関の機関回転数を検出し、
ノッキングの発生が検出された場合には、前記検出した機関回転数に基づいて供給すべき水素ガス量および主燃料量を決定し、
前記内燃機関に対して決定された量の主燃料を供給すると共に前記決定した量の水素ガスを前記気筒内に直接供給し、
前記主燃料と水素ガスとを含む混合気に火花点火する方法。
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