JP4730252B2 - ガス燃料内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、ガス燃料内燃機関に関し、特に、水素を燃料として自着火運転可能な水素自着火内燃機関に関する。

従来、内燃機関の燃料としてガス燃料である水素を使用することが知られている。水素は、その可燃範囲が体積割合で４〜７５％とかなり広く、空気過剰率が４以上程度の極めて薄い混合気でも十分に燃焼させることができる。このため、水素を内燃機関の燃料として利用する場合には、極めてリーンな空燃比でも動力を取り出すことができ、いわゆる超リーンバーン運転が可能となる。

超リーンバーン運転によれば、スロットルを略全開にできるので、ポンプ損失を低減することができ、また、燃焼温度が低下することから冷却損失も低減することができる。ポンプ損失及び冷却損失の低減によって、内燃機関の効率は向上し、燃費に優れた高効率での運転が可能となる。更に、燃焼温度の低下によって、ＮＯ_Ｘの発生量を略ゼロまで抑制することができ、また、水素を燃料とすることで、ＣＯ_２やＣＯの発生もない。したがって、水素を用いた超リーンバーン運転によれば、完全なゼロエミッションの実現も可能になる。

特開平１０−２３８３７４号公報 特開２００５−１３９９８５号公報 特開平７−１８９８４８号公報

ところで、水素はガソリンのような液体燃料に比べて可燃範囲が広い。このため、水素を内燃機関の燃料として利用する場合、通常の火花点火方式に代えて、自着火方式とすることも考えられる。

しかしながら、水素を燃料とする自着火運転では、燃料噴射タイミングの制御が難しい。水素ガスは同発熱量の液体燃料に比べて体積が格段に大きいため、燃料噴射期間を長く設定せざるを得ないが、自着火前に多量の燃料が噴射されると、急激な予混合燃焼による燃焼騒音が問題となる。また、多量の水素が燃焼室内に拡散することから、予混合燃焼よる未燃水素が増大してしまう。

一方、拡散燃焼期間を長く設定することとすると、燃焼後期の燃焼圧が低下してしまうため、効率の低下の問題が顕著となる。このように、水素を燃料とする自着火運転においては、燃料噴射タイミングが内燃機関の効率、および燃焼騒音などに大きな影響を与えることとなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス燃料を利用した自着火内燃機関の燃料噴射タイミングの最適化を図り、高効率且つ低騒音を実現できるようにしたガス燃料内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガス燃料による自着火運転が可能なガス燃料内燃機関であって、
前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、前記内燃機関の自着火時期を推定する自着火時期推定手段と、
前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、ガス燃料の噴射期間を算出する噴射期間算出手段と、
前記自着火時期と前記噴射期間とに基づいて、ガス燃料の噴射開始時期を決定する噴射開始時期決定手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関は、ガス燃料として、水素ガスを使用する水素内燃機関であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または２の発明において、
前記噴射開始時期決定手段は、
前記噴射期間が短いほど、前記噴射開始時期が遅い時期となるように特定することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至３の何れか１つの発明において、
前記内燃機関の圧縮比を調整する圧縮比調整手段と、
前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、前記内燃機関の自着火目標時期を算出する自着火目標時期算出手段と、
前記自着火時期が前記自着火目標時期となるように、前記圧縮比調整手段を操作する制御手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記制御手段は、
前記自着火時期と前記自着火目標時期とを比較する第１比較手段を含み、
前記自着火時期が前記自着火目標時期よりも遅い場合に、前記圧縮比が大きくなるように前記圧縮比調整手段を操作することを特徴とする。

また、第６の発明は、第４の発明において、
前記制御手段は、
前記自着火時期と前記自着火目標時期とを比較する第１比較手段を含み、
前記自着火時期が前記自着火目標時期よりも早い場合に、前記圧縮比が小さくなるように前記圧縮比調整手段を操作することを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至６の何れか１つの発明において、
前記内燃機関の燃焼室に配置された着火補助装置と、
前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、前記内燃機関の自着火許容時期を算出する自着火許容時期算出手段と、
前記自着火許容時期までに自着火しない場合に、前記着火補助装置を作動させる着火補助手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、
前記着火補助手段は、
前記自着火時期と前記自着火許容時期とを比較する第２比較手段を含み、
前記自着火時期が前記自着火許容時期よりも遅い場合に、前記着火補助装置を作動させることを特徴とする。

また、第９の発明は、第７の発明において、
前記着火補助手段は、
前記内燃機関の筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記筒内圧に基づいて、自着火有無を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、ガス燃料による圧縮自着火運転が可能なガス燃料内燃機関において、内燃機関の運転条件・運転状態に基づいて特定された自着火時期と噴射期間とに基づいて、噴射開始時期を特定することができる。機関効率は燃焼形態および燃焼状態によって異なる。このため、本発明によれば、自着火時期と噴射期間とに基づいて、機関効率が最適となる燃焼が行われるように、噴射開始時期を特定することができる。

第２の発明によれば、ガス燃料に水素ガスを使用する水素内燃機関により、本発明を実行することができる。

第３の発明によれば、噴射開始時期は、燃料の噴射期間が短いほど遅い時期に噴射が開始されるように特定される。このため、本発明によれば、着火前に多量の燃料が噴射される事態を回避することができ、急激な予混合燃焼による燃焼騒音および未燃水素の発生を抑制することができる。

第４の発明によれば、内燃機関の運転条件・運転状態に基づいて特定された自着火時期が、自着火目標時期になるように、圧縮比が調整される。このため、本発明によれば、自着火目標時期に確実に自着火させることにより熱発生の時期が常に適切となり、高効率な運転を実現することができる。

第５の発明によれば、圧縮比の調整は、自着火時期と自着火目標時期との比較に基づいて実行される。つまり、自着火時期が自着火目標時期よりも遅い場合には、自着火時期を早めるために、目標圧縮比が高く設定される。このため、本発明によれば、自着火目標時期に確実に自着火させることができる。

第６の発明によれば、圧縮比の調整は、自着火時期と自着火目標時期との比較に基づいて実行される。つまり、自着火時期が自着火目標時期よりも早い場合には、自着火時期を遅らすために、目標圧縮比が低く設定される。このため、本発明によれば、自着火目標時期に確実に自着火させることができる。

第７の発明によれば、自着火許容時期までに自着火しない場合には、着火補助装置により着火が補助される。このため、本発明によれば、自着火しない場合であっても確実に着火させることにより、高効率な運転を実現することができる。

第８の発明によれば、着火補助装置の作動は、自着火時期と自着火許容時期との比較に基づいて実行される。つまり、自着火時期が自着火許容時期よりも遅い場合には、自着火しない可能性が高いため、着火補助装置を作動させる。このため、本発明によれば、自着火しない可能性が高い場合においても確実に着火させることができる。

第９の発明によれば、着火補助装置の作動は、内燃機関の筒内圧に基づいて実行される。自着火した場合には筒内圧が急激に上昇する。このため、本発明によれば、筒内圧に基づいて、自着火有無を確実に検出することができ、自着火していない場合に確実に着火させることができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［ハードウェア構成］
図１は、本発明の実施の形態の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のガス燃料内燃機関１０は、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。水素エンジン１０は、内部にピストン１２が配置されたシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４に組み付けられたシリンダヘッド１６を備えている。シリンダブロック１４およびシリンダヘッド１６の内壁とピストン１２の上面とで囲まれる空間は、燃焼室１８を形成している。尚、図１では一つの燃焼室１８のみを示しているが、水素エンジン１０は複数の燃焼室１８を有する多気筒エンジンとして構成されている。

燃焼室１８には、空気を燃焼室１８内に導入するための吸気通路２０が接続されている。吸気通路２０の上流端にはエアクリーナ２２が設けられ、空気はエアクリーナ２２を介して吸気通路２０内に取り込まれる。吸気通路２０には燃焼室１８へ吸入される空気量を調整するためのスロットル２４が配置されている。吸気通路２０のスロットル２４の上流には、吸入空気量を測定するためのエアフロメータ２６が取り付けられている。吸気通路２０と燃焼室１８との接続部には、吸気通路２０と燃焼室１８との連通状態を制御する吸気バルブ２８が設けられている。

また、燃焼室１８には燃焼室内の燃焼ガスを排出するための排気通路３０が接続されている。排気通路３０には浄化触媒３２が配置され、排気ガスは浄化触媒３２によって浄化されてから大気中に排出される。浄化触媒３２の上流には、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ３４が取り付けられている。排気通路３０と燃焼室１８との接続部には、排気通路３０と燃焼室１８との連通状態を制御する排気バルブ３６が設けられている。

更に、燃焼室１８内には筒内噴射弁４０と筒内圧センサ５２とが配置されている。筒内噴射弁４０は水素供給管４４を介して水素供給装置４２に接続されている。水素供給装置４２の具体例としては、水素を蓄えた水素タンク、炭化水素系燃料を改質して水素を生成する改質器、或いは、メタルハイドライド等の水素吸蔵手段を挙げることができる。本実施の形態の水素エンジンにおいては、水素供給装置４２の種類には限定はない。水素供給管４４には、筒内噴射弁４０に水素を圧送するポンプ４６が配置されている。ポンプ４６は、圧縮ＴＤＣ付近でも十分に噴射できる圧力まで水素を圧縮している。尚、水素供給装置４２として高圧水素タンクを用いる場合であって、その貯蔵圧力が噴射圧よりも高い場合には、ポンプ４６の代わりにレギュレータを用いてもよい。

本実施の形態の水素エンジン１０には、その制御装置として、ECU(Electronic Control Unit)７０が備えられている。ECU７０の出力部には、上述した筒内噴射弁４０、スロットル２４等の種々の機器が接続されている。また、ECU７０の入力部には、上述したエアフロメータ２６、酸素センサ３４、筒内圧センサ５２の他、クランク角センサ４８、水温センサ５０等の種々のセンサ類が接続されている。ECU７０は、各センサの出力に基づいて、所定の制御プログラムに従って各機器を駆動する。

［実施の形態１の動作］
次に、本実施の形態１の動作について説明する。本実施の形態の水素エンジン１０は、水素を燃料として使用し、混合気を自着火により燃焼させることのできるエンジンである。当該水素エンジン１０の燃焼形態は、予混合燃焼と拡散燃焼とから成り立っている。具体的には、先ず、筒内噴射弁４０から噴射された水素が燃焼室１８内で空気と混合され、可燃混合気が生成される。燃焼室１８内の可燃混合気が圧縮されて自着火温度に到達すると、該可燃混合気の数ヶ所でほぼ同時に自着火が起こり、可燃混合気が急速に燃焼する予混合燃焼が行われる。次いで、予混合燃焼の後には、燃焼中の火炎に水素ガスが継続的に噴射されるので、水素が空気と拡散混合しながら燃焼する拡散燃焼が行われる。

予混合燃焼までの燃料噴射期間（以下、「予混合期間」と称す）が短いほど、すなわち自着火タイミングが早いほど予混合燃焼前の燃料噴射量が少量となるため、急激な予混合燃焼が抑制され、燃焼騒音を低減することができる。また、燃焼室内に拡散する水素量が少量となるため、未燃水素の発生を抑制することができる。

しかしながら、上述したとおり、水素ガスは同発熱量の液体燃料に比べて体積が格段に大きいため、燃料の噴射期間Afを長く設定せざるを得ないが、予混合期間を長くすることとすると、上述した燃焼騒音および未燃水素が問題となる。

一方、拡散燃焼期間を長く設定することとすると、燃焼後期の燃焼圧が低下してしまうため、効率の低下の問題が顕著となる。このように、水素を燃料とする自着火運転においては、燃料噴射タイミングが内燃機関の効率、および燃焼騒音などに大きな影響を与えることとなる。

つまり、上述した予混合燃焼および拡散燃焼から成る自着火燃焼においては、噴射期間Afに応じて、機関効率が最適な自着火タイミングとなる燃料噴射開始時期が存在する。そこで、本実施の形態１においては、以下の演算式に従って、最適な燃料の噴射開始クランク角θsを算出し、燃料噴射を実行することとする。
噴射開始クランク角θs＝自着火温度到達クランク角θai−進角量Δθ・・・（１）

ここで、自着火温度到達クランク角θaiは、燃焼室１８内の可燃混合気が自着火し得る温度となる圧縮クランク角であり、水素エンジン１０の運転条件及び運転状態に基づいて推定された値である。また、進角量Δθは、自着火温度到達クランク角θaiからの進角量として定義された値である。

図２は、噴射期間Afと進角量Δθとの間に成立する関係を示すマップである。図２のマップは、噴射期間Afが短いほど進角量Δθが小さくなる傾向が、自着火温度到達クランク角θaiの全域において現れる様子を示している。進角量Δθは、かかるマップの傾向に従って、自着火温度到達クランク角θaiおよび噴射期間Afに対応する値が特定される。

上記（１）式によれば、噴射開始クランク角θsは、自着火温度到達クランク角θaiから進角量Δθを差し引くことで算出される。このため、噴射開始クランク角θsは、噴射期間Afが短いほど、すなわち噴射量が少ないほど、θaiからの進角量が減少し、やがてθaiより遅角側のクランク角となる。したがって、予混合燃焼のための噴射量が多すぎないように燃料噴射開始タイミングを調整することができるため、燃焼騒音および未燃水素の発生を抑制することができ、高効率な運転を実現することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図３を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図３は、ECU７０が水素エンジン１０に水素ガスを供給するための処理を実行するルーチンのフローチャートである。

図３に示すルーチンでは、先ず、水素エンジン１０の運転条件および運転状態が入力される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、機関回転数Ne、噴射量Qf、噴射圧Qp、吸気温Ti、EGR率Re、水温Tw等が水素エンジン１０における運転条件、或いは運転状態として入力される。

次に、自着火温度到達クランク角θaiが推定される（ステップ１０２）。自着火温度到達クランク角θaiは、水素エンジン１０の運転条件及び運転状態に基づいて、燃焼室１８内の可燃混合気が自着火し得る温度に到達する圧縮クランク角として推定された値である。ここでは、具体的には、上記ステップ１００にて入力された運転条件および運転状態に基づいて、自着火温度到達クランク角θaiが推定される。

次に、噴射期間Afが算出される（ステップ１０４）。噴射期間Afは、水素噴射のクランク角期間である。ここでは、具体的には、上記ステップ１００にて入力された機関回転数Ne、噴射量Qf、および噴射圧Qpに基づいて算出される。

図３に示すルーチンにおいては、次に、噴射開始クランク角θsが算出される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、先ず、進角量Δθが特定される。進角量Δθは、上述した図２に示すマップに従い、上記ステップ１０２にて推定された自着火温度到達クランク角θai、および上記ステップ１０４にて算出された噴射期間Afに対応する進角量Δθから特定される。次に、上記ステップ１０２にて推定された自着火温度到達クランク角θai、および上記Δθが上記（１）式に代入され、噴射開始クランク角θsが算出される。

以上説明したとおり、本実施の形態１によれば、予混合燃焼前の燃料噴射量が多すぎないように燃料噴射開始タイミングを調整し、予混合燃焼を行うことができる。このため、高効率での運転が可能であり、また、未燃水素の発生を抑制することができる。

また、上述した実施の形態１によれば、噴射期間Afが短くなるにつれて、やがて進角量Δθがマイナス値にて算出される。かかる場合においては、自着火温度到達クランク角θaiよりも遅角側で燃料噴射が開始されることとなり、予混合燃焼による急激な燃焼が抑制され、燃焼騒音を低減することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、ガス燃料内燃機関として水素エンジンを使用しているが、使用されるガス燃料内燃機関はこれに限られない。すなわち、水素ガス以外のガス燃料を利用するガス燃料内燃機関において、本実施の形態を実行することとしてもよい。この点は、以下に説明する他の実施の形態においても同様である。

尚、上述した実施の形態１においては、自着火温度到達クランク角θaiが前記第１の発明における「自着火時期」に、噴射開始クランク角θsが前記第１の発明における「噴射開始時期」にそれぞれ相当している。また、ECU７０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「自着火時期推定手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射期間算出手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射開始時期決定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU７０に後述する図４に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

上述した実施の形態１では、噴射開始クランク角θsを算出するために、運転条件等に基づいて推定された自着火温度到達クランク角θaiが使用されている。ここで、θaiは、理論的に熱効率が最適となる燃焼が行われる着火クランク角（以下、「自着火温度到達目標クランク角θaiR」と称す）となることが好ましい。

しかしながら、自着火温度到達クランク角θaiは運転状態に応じて変化する。このため、常にθaiが自着火温度到達目標クランク角θaiRとなるように各種運転条件を設定することは困難である。

そこで、本実施の形態２においては、圧縮比を調整可能な水素エンジンにおいて、自着火温度到達クランク角θaiが、自着火温度到達目標クランク角θaiRとなるように圧縮比を調整することとする。より具体的には、θaiがθaiRよりも遅角側である場合には、圧縮比がより高くなるように調整し、逆にθaiがθaiRよりも進角側である場合には、圧縮比がより低くなるように圧縮比を調整することとする。これにより、常にθaiがθaiRとなるように制御することができるため、熱効率が最適となるクランク角で自着火させることができ、熱発生の時期を常に適切に保ち、高効率な運転を実現することができる。

実圧縮比の調整は、吸気バルブ２８の閉じタイミングを変更することにより、実圧縮比を目標圧縮比に調整することができる。尚、バルブタイミングの変更手法に関しては、本発明の主要部ではなく、且つ、公知の手法であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

［実施の形態２における具体的処理］
次に、図４を参照して、本実施の形態２において実行する処理の具体的内容について説明する。図４は、ECU７０が水素エンジン１０に水素ガスを供給するための処理を実行するルーチンのフローチャートである。

図４に示すルーチンでは、先ず、水素エンジン１０の運転条件および運転状態が入力される（ステップ２００）。ここでは、具体的には、図３に示すステップ１００の処理と同様の処理に加えて、水素エンジン１０の実圧縮比εが入力される。実圧縮比εは、より具体的には、筒内圧センサ５２の出力信号に基づいて算出される。

次に、自着火温度到達クランク角θaiが推定される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ２００にて入力された運転条件および運転状態に基づいてθaiが推定される。次に、噴射期間Afが算出される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、図３に示すステップ１０４と同様の処理が実行される。次に、噴射開始クランク角θsが算出される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、図３に示すステップ１０６と同様の処理が実行される。

図４に示すルーチンにおいては、次に、自着火温度到達目標クランク角θaiRが算出される（ステップ２０８）。ここでは、具体的には、噴射期間Afおよび機関回転数Neに基づいてθaiRが算出される。

次に、自着火温度到達クランク角θaiが、自着火温度到達目標クランク角θaiRより遅角側か否かが判定される（ステップ２１０）。圧縮比が調整されると、θaiを進角側、或いは遅角側に変化させることができる。このため、上記ステップ２１０において、θaiがθaiRよりも遅角側であると判定された場合には、θaiを進角側に移行させるように圧縮比が調整される（ステップ２１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ２００にて入力された実圧縮比εに、θaiの遅角分に相当する圧縮比の変化量Δεが加えられた値が、目標圧縮比εtとして設定される。

一方、上記ステップ２１０において、θaiがθaiRよりも進角側であると判定された場合には、θaiを遅角側に移行させるように圧縮比が調整される（ステップ２１４）。ここでは、具体的には、上記ステップ２００にて入力された実圧縮比εに、θaiの進角分に相当する圧縮比の変化量Δεが減ぜられた値が、目標圧縮比εtとして設定される。

以上説明したとおり、本実施の形態２によれば、自着火温度到達クランク角θaiが自着火温度到達目標クランク角θaiRとなるように、実圧縮比が調整される。このため、燃焼における熱発生の位置が適切になり、燃料噴射タイミングの最適化を図り、高効率な運転を実現することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態２においては、θaiがθaiRとなるように目標圧縮比εtを設定し、吸気バルブ２８の閉じタイミングを変更することにより実圧縮比を目標圧縮比に調整することとしているが、実圧縮比の調整手法はこれに限られない。すなわち、筒内容積を機械的に変更可能な内燃機関において、実圧縮比が目標圧縮比となるように筒内容積を調整することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、自着火温度到達クランク角θaiが前記第１の発明における「自着火時期」に、噴射開始クランク角θsが前記第１の発明における「噴射開始時期」にそれぞれ相当している。また、ECU７０が、上記ステップ２０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「自着火時期推定手段」が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射期間算出手段」が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射開始時期決定手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、自着火温度到達目標クランク角θaiRが前記第４の発明における「自着火目標時期」に相当していると共に、ECU７０が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより、前記第４の発明における「自着火目標時期算出手段」が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより、前記第５の発明における「第１比較手段」が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより、前記第６の発明における「第１比較手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図５および６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態のシステムは、図５に示すハードウェア構成を用いて、ECU７０に後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

本実施の形態３のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じくガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。図５は本実施の形態の水素エンジン６０の概略構成を示す図である。図５において、図１に示す水素エンジン１０と同一の部位については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略あるいは簡略化するものとする。

図５に示すとおり、本実施の形態の水素エンジン６０は、燃焼室１８に点火プラグ６２が配置されている。点火プラグ６２はECU７０の出力部に接続されている。ECU７０は、各センサの出力信号に基づき、所定のプログラムに従って点火プラグ６２の点火制御を行うことができる。

［実施の形態３の動作］
上述した実施の形態１では、クランク角が自着火温度到達クランク角θaiに到達したときに自着火が開始されることを前提に、噴射開始クランク角θsを特定することとしている。しかしながら、運転状態等によっては、自着火温度になかなか到達せず、θaiが非常に遅角側となる場合も考えられる。かかる場合においては、自着火しない場合が想定され、また、仮に自着火したとしても、燃焼時期が遅角側にずれることにより、燃焼圧の低下による燃焼効率低下が問題となる。

そこで、本実施の形態３においては、自着火しない可能性がある場合には、点火プラグ６２によるスパークアシストを実行することとする。より具体的には、効率低下を許容しうる最遅角の自着火クランク角（以下、「自着火許容最遅角クランク角θaiD」と称す）を算出し、θaiがθaiDより遅角側である場合にスパークアシストを実行することとする。これにより、自着火しない場合においても確実に着火することが可能となり、着火遅れに起因する効率低下を抑制することができる。

［実施の形態３における具体的処理］
次に、図６を参照して、本実施の形態３において実行する処理の具体的内容について説明する。図６は、ECU７０が水素エンジン６０に水素ガスを供給するための処理を実行するルーチンのフローチャートである。

図６に示すルーチンでは、先ず、水素エンジン６０の運転条件および運転状態が入力される（ステップ３００）。次に、自着火温度到達クランク角θaiが推定される（ステップ３０２）。次に、噴射期間Afが算出される（ステップ３０４）。次に、噴射開始クランク角θsが算出される（ステップ３０６）ここでは、具体的には、図３に示すステップ１００乃至１０６の処理と同様の処理が実行される。

図６に示すルーチンにおいては、次に、自着火許容最遅角クランク角θaiDが算出される（ステップ３０８）。ここでは、具体的には、噴射期間Afおよび機関回転数Neに基づいてθaiDが算出される。

次に、自着火温度到達クランク角θaiが、自着火許容最遅角クランク角θaiDより遅角側か否かが判定される（ステップ３１０）。上述したとおり、自着火温度到達クランク角θaiが遅角側にずれるほど自着火タイミングが遅角側となるため、燃焼圧低下による効率低下の問題が顕著に表れる。このため、上記ステップ３１０において、θaiがθaiDよりも遅角側であると判定された場合には、次のステップに移行し、スパークアシストが実行される（ステップ３１２）。ここでは、具体的には、点火プラグ６２による点火によって、水素の燃焼がアシストされる。

一方、上記ステップ３１０において、θaiがθaiDよりも進角側であると判定された場合には、クランク角がθaiに到達した時点で自着火が行われるため、スパークアシストは実行されず、本ルーチンは終了される。

以上説明したとおり、本実施の形態３によれば、効率よく自着火による燃焼を行うことができる自着火許容最遅角クランク角θaiDまでに自着火しないと判定された場合には、点火プラグ６２によるスパークアシストが実行される。このため、自着火しない場合においても確実に着火することが可能となり、効率低下を抑制することができる。

また、本実施の形態３によれば、自着火許容最遅角クランク角θaiDまでに自着火する場合には、スパークアシストは実行されない。自着火による燃焼は、燃焼しやすい混合比の部分から着火するため、点火プラグ等を用いた強制的な着火に比べて部分的な酸素不足による未燃水素が発生しにくい。このため、未燃水素の発生を最小限に抑制することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態３においては、点火プラグ６２によるスパークアシストを実行することとしているが、アシストに使用される装置は点火プラグに限られない。すなわち、グロープラグやエアヒータ等を使用することにより、燃焼室内の可燃混合気を直接加熱して着火をアシストする構成としてもよい。

尚、上述した実施の形態３においては、自着火温度到達クランク角θaiが前記第１の発明における「自着火時期」に、噴射開始クランク角θsが前記第１の発明における「噴射開始時期」にそれぞれ相当している。また、ECU７０が、上記ステップ３０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「自着火時期推定手段」が、上記ステップ３０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射期間算出手段」が、上記ステップ３０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射開始時期決定手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態３においては、点火プラグ６２が前記第７の発明における「着火補助装置」に、自着火許容最遅角クランク角θaiDが前記第７の発明における「自着火許容時期」にそれぞれ相当している。また、ECU７０が、上記ステップ３０８の処理を実行することにより、前記第７の発明における「自着火許容時期算出手段」が、上記ステップ３１２の処理を実行することにより、前記第７の発明における「着火補助手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態３においては、ECU７０が、上記ステップ３１０の処理を実行することにより、前記第７の発明における「第２比較手段」が実現されている。

実施の形態４．
［実施の形態４の特徴］
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態のシステムは、図５に示すハードウェア構成を用いて、ECU７０に後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

上述した実施の形態３では、自着火温度到達クランク角θaiが、効率よく自着火による燃焼を行うことができる自着火許容最遅角クランク角θaiDより遅角側である場合に、θaiDより進角側で自着火しないと判定し、点火プラグ６２によるスパークアシストが実行されることとしている。

しかしながら、自着火温度到達クランク角θaiは運転条件および運転状態に基づいて算出される推定値であり、現状クランク角θがθaiに到達したときに、常に自着火が開始されるとは限らず、時として自着火しない場合も想定される。

そこで、本実施の形態４においては、水素エンジン６０の筒内圧を検出することにより、自着火による燃焼が開始されたか否かを確認することとする。より具体的には、現状のクランク角θが自着火許容最遅角クランク角θaiDより進角側である期間に自着火の開始が認められない場合に（すなわち、筒内圧が燃焼時の圧力パターンとならない場合に）スパークアシストを実行することとする。これにより、自着火しない場合を確実に検出することができ、かかる場合に確実に着火をアシストすることができる。

また、θaiDまでに自着火の開始が認められた場合には、スパークアシストは実行されない。実施の形態３において述べたとおり、自着火による燃焼は、燃焼しやすい混合比の部分から着火するため、点火プラグ等を用いた強制的な着火に比べて部分的な酸素不足による未燃水素が発生しにくい。このため、未燃水素の発生を最小限に抑制することができ、高効率な運転を実現することが可能となる。

［実施の形態４における具体的処理］
次に、図７を参照して、本実施の形態４において実行する処理の具体的内容について説明する。図７は、ECU７０が水素エンジン６０に水素ガスを供給するための処理を実行するルーチンのフローチャートである。

図６に示すルーチンでは、先ず、水素エンジン６０の運転条件および運転状態が入力される（ステップ４００）。次に、自着火温度到達クランク角θaiが推定される（ステップ４０２）。次に、噴射期間Afが算出される（ステップ４０４）。次に、噴射開始クランク角θsが算出される（ステップ４０６）ここでは、具体的には、図３に示すステップ１００乃至１０６の処理と同様の処理が実行される。

図７に示すルーチンにおいては、次に、自着火許容最遅角クランク角θaiDが算出される（ステップ４０８）。ここでは、具体的には、図６に示すステップ３０８の処理と同様の処理が実行される。

次に、現状のクランク角θが入力される（ステップ４１０）。ここでは、具体的には、クランク角センサ４８の出力信号が入力される。次に、現状クランク角θが、自着火許容最遅角クランク角θaiDより遅角側か否かが判定される（ステップ４１２）。θがθaiDより遅角側である場合には、次のステップに移行し、自着火による燃焼が開始されているか否かが判定される（ステップ４１４）。燃焼が開始されると筒内圧は急激に上昇する。このため、筒内圧を監視することにより、自着火有無を精度よく判定することができる。ここでは、具体的には、筒内圧センサ５２により検出された筒内圧が、燃焼時の圧力パターン類似か否かが判定される。

上記ステップ４１４において、自着火による燃焼が確認されない場合には、次のステップに移行し、スパークアシストが実行される（ステップ４１６）。ここでは、具体的には、図６に示すステップ３１２の処理と同様の処理が実行される。一方、上記ステップ４１４において、自着火による燃焼が確認された場合には、スパークアシストは実行されず、本ルーチンは終了される。

以上説明したとおり、本実施の形態４によれば、効率よく自着火による燃焼を行うことができる自着火許容最遅角クランク角θaiDまでに自着火していないと確認された場合には、点火プラグ６２によるスパークアシストが実行される。このため、自着火しない場合においても確実に着火することが可能となり、効率低下を効果的に抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態４においては、点火プラグ６２によるスパークアシストを実行することとしているが、アシストに使用される装置は点火プラグに限られない。すなわち、グロープラグやエアヒータ等を使用することにより、燃焼室内の可燃混合気を直接加熱して着火をアシストする構成としてもよい。

尚、上述した実施の形態４においては、自着火温度到達クランク角θaiが前記第１の発明における「自着火時期」に、噴射開始クランク角θsが前記第１の発明における「噴射開始時期」にそれぞれ相当している。また、ECU７０が、上記ステップ４０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「自着火時期推定手段」が、上記ステップ４０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射期間算出手段」が、上記ステップ４０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射開始時期決定手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態４においては、点火プラグ６２が前記第７の発明における「着火補助装置」に、自着火許容最遅角クランク角θaiDが前記第７の発明における「自着火許容時期」にそれぞれ相当している。また、ECU７０が、上記ステップ４０８の処理を実行することにより、前記第７の発明における「自着火許容時期算出手段」が、上記ステップ４１６の処理を実行することにより、前記第７の発明における「着火補助手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態４においては、ECU７０が、上記ステップ４１４の処理を実行することにより、前記第９の発明における「筒内圧取得手段」および「判定手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。 噴射期間Afと進角量Δθとの間に成立する関係を示すマップである。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０、６０ ガス燃料内燃機関（水素エンジン）
１２ ピストン
１４ シリンダブロック
１６ シリンダヘッド
１８ 燃焼室
２０ 吸気通路
２２ エアクリーナ
２４ スロットル
２６ エアフロメータ
２８ 吸気バルブ
３０ 排気通路
３２ 浄化触媒
３４ 酸素センサ
３６ 排気バルブ
４０ 筒内噴射弁
４２ 水素供給装置
４４ 水素供給管
４６ ポンプ
４８ クランク角センサ
５０ 水温センサ
５２ 筒内圧センサ
６０ 水素エンジン
６２ 点火プラグ
Af 噴射期間
Ne 機関回転数
Qf 噴射量
Qp 噴射圧
Re EGR率
Ti 吸気温
Tw 水温
Δθ 進角量
ε 実圧縮比
εt 目標圧縮比
θai 自着火温度到達クランク角
θaiD 自着火許容最遅角クランク角
θaiR 自着火温度到達目標クランク角
θs 噴射開始クランク角
TDC（Top Dead Center） 上死点

Claims (9)

1. ガス燃料の圧縮自着火運転が可能なガス燃料内燃機関において、
   前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、前記内燃機関の自着火時期を推定する自着火時期推定手段と、
   前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、ガス燃料の噴射期間を算出する噴射期間算出手段と、
   前記自着火時期と前記噴射期間とに基づいて、ガス燃料の噴射開始時期を決定する噴射開始時期決定手段と、
   を備えることを特徴とするガス燃料内燃機関。
2. 前記内燃機関は、ガス燃料として、水素ガスを使用する水素内燃機関であることを特徴とする請求項１記載のガス燃料内燃機関。
3. 前記噴射開始時期決定手段は、
   前記噴射期間が短いほど、前記噴射開始時期が遅い時期となるように特定することを特徴とする請求項１または２記載のガス燃料内燃機関。
4. 前記内燃機関の圧縮比を調整する圧縮比調整手段と、
   前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、前記内燃機関の自着火目標時期を算出する自着火目標時期算出手段と、
   前記自着火時期が前記自着火目標時期となるように、前記圧縮比調整手段を操作する制御手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のガス燃料内燃機関。
5. 前記制御手段は、
   前記自着火時期と前記自着火目標時期とを比較する第１比較手段を含み、
   前記自着火時期が前記自着火目標時期よりも遅い場合に、前記圧縮比が大きくなるように前記圧縮比調整手段を操作することを特徴とする請求項４記載のガス燃料内燃機関。
6. 前記制御手段は、
   前記自着火時期と前記自着火目標時期とを比較する第１比較手段を含み、
   前記自着火時期が前記自着火目標時期よりも早い場合に、前記圧縮比が小さくなるように前記圧縮比調整手段を操作することを特徴とする請求項４記載のガス燃料内燃機関。
7. 前記内燃機関の燃焼室に配置された着火補助装置と、
   前記内燃機関の運転条件・状態に基づいて、前記内燃機関の自着火許容時期を算出する自着火許容時期取得手段と、
   前記自着火許容時期までに自着火しない場合に、前記着火補助装置を作動させる着火補助手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のガス燃料内燃機関。
8. 前記着火補助手段は、
   前記自着火時期と前記自着火許容時期とを比較する第２比較手段を含み、
   前記自着火時期が前記自着火許容時期よりも遅い場合に、前記着火補助装置を作動させることを特徴とする請求項７記載のガス燃料内燃機関。
9. 前記着火補助手段は、
   前記内燃機関の筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
   前記筒内圧に基づいて、自着火有無を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする請求項７記載のガス燃料内燃機関。
   

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