JP5115328B2

JP5115328B2 - 内燃機関

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Publication number: JP5115328B2
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Inventors: 錬太郎黒木; 大作澤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
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Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2013-01-09
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Description

本発明は、内燃機関に関するものである。特に、この発明は、排気通路と吸気通路とが接続されることにより形成された循環経路を備える内燃機関に関するものである。

従来の内燃機関は、燃焼室で燃料を燃焼させた際の圧力により運転可能に設けられている。また、内燃機関の一形態として、燃焼後の排気ガスが流れる通路である排気通路と燃焼室に吸入されるガスが流れる通路である吸気通路とが接続されることにより循環通路が形成された内燃機関が知られている。このような内燃機関では、例えば燃料である水素と、水素を酸化させる酸素とを燃焼室に供給し、さらに、空気よりも比熱比が高い作動ガスとして使用されるアルゴンを、燃焼室及び循環通路に循環させる。これにより、水素を燃焼室で燃焼させることにより内燃機関を運転させる際に、燃焼室でのアルゴンの熱膨張も利用してピストンを作動させることができるため、内燃機関の運転時の熱効率を高くすることができる。また、水素が燃焼した場合には水分が生成されるが、この水分は循環通路に設けられる凝縮器により凝縮して分離し、アルゴンのみを燃焼室に吸気させて循環させる。

しかし、このような内燃機関では、燃焼室に吸気されたガス中のアルゴンの濃度により熱効率が変化するため、内燃機関運転時の要求トルクを得られない場合があった。このため、従来の内燃機関では、循環通路を備える内燃機関でも良好な熱効率を得ることができるように設けられているものがある。例えば、特許文献１に記載の内燃機関では、要求トルクに基づいて燃焼室に水素や酸素を供給すると共に、アルゴンも要求トルクに基づいて供給している。これにより、アルゴンの濃度を、良好な熱効率を得ることができる濃度にすることができ、要求トルクを得ることができる。

特開２００７−７７８３４号公報

しかしながら、気体同士のミキシングは、気体と液体とのミキシングよりも悪いため、特許文献１に記載された内燃機関のように、燃焼室で燃焼させる燃料として水素のような気体を用いた場合、酸化剤である酸素とのミキシングが悪くなる場合がある。特に、内燃機関の始動時には、燃焼室内のガスの乱れが小さいため、水素と酸素とのミキシングが、より悪くなり易くなり、始動性が低下する場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、始動性の向上を図ることのできる内燃機関を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る内燃機関は、燃焼室に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記酸化剤と反応することにより燃焼する被酸化物を前記燃焼室に供給する被酸化物供給手段と、両端が前記燃焼室に連通すると共に一端からは前記燃焼室で前記被酸化物が燃焼した後の排気ガスが前記燃焼室から流入し、他端からは前記燃焼室が吸気するガスが前記燃焼室に対して流出可能に設けられており、さらに、空気よりも比熱比が高く、且つ、前記燃焼室との間で循環するガスである作動ガスが流通可能な経路である循環経路と、前記被酸化物の供給量と前記酸化剤の供給量とを決定すると共に、内燃機関の始動時には前記被酸化物と前記酸化剤とのうちいずれか一方の供給割合を通常運転時の供給割合と比較して増加させて前記被酸化物の供給量と前記酸化剤の供給量とを決定する供給量決定手段と、を備えることを特徴とする。

この発明では、内燃機関の始動時には被酸化物と酸化剤とのうちいずれか一方の供給割合を通常運転時の供給割合と比較して増加させるので、被酸化物と酸化剤とのうち少ない方を全て他方と反応させ、燃焼させることができる。これにより、始動時の燃焼を向上させることができる。この結果、始動性の向上を図ることができる。

また、この発明に係る内燃機関は、上記発明において、前記供給量決定手段は、前記排気ガス中の前記被酸化物の濃度と前記酸化剤の濃度とが共に所定の濃度以下になるように前記被酸化物の供給量と前記酸化剤の供給量とを決定することを特徴とする。

この発明では、排気ガス中の被酸化物の濃度と酸化剤の濃度とが共に所定の濃度以下になるように、これらの供給量を決定するので、排気ガス中の被酸化物や酸化剤の濃度が高くなることにより、燃焼室が吸気するガス中の作動ガスの濃度が低下することを抑制することができる。つまり、燃焼室から排気される排気ガスは循環経路を通って作動ガスと共に燃焼室に吸入されるが、排気ガス中の被酸化物や酸化剤の濃度が高い場合、相対的に循環経路を流れる作動ガスの濃度は低下する。このため、燃焼室が吸気するガス中の作動ガスの濃度も低下する。これに対し、排気ガス中の被酸化物の濃度と酸化剤の濃度とを共に所定の濃度以下になるようにすることにより、循環経路を流れる作動ガスの濃度の低下を抑制することができ、燃焼室が吸気するガス中の作動ガスの濃度が低下することを抑制できる。これにより、燃焼室で被酸化物を燃焼させる際に、比熱比が高い作動ガスの濃度を確保した状態で燃焼させることができる。この結果、熱効率の低下を抑制することができる。

また、この発明に係る内燃機関は、上記発明において、前記供給量決定手段は、前記内燃機関の通常運転時には前記被酸化物と前記酸化剤とのうちいずれか一方のみが定常的に前記排気ガスに含まれるように前記被酸化物の供給量と前記酸化剤の供給量とを決定することを特徴とする。

この発明では、被酸化物と酸化剤とのうちいずれか一方のみが定常的に排気ガスに含まれるようにするので、循環経路に被酸化物と酸化剤との双方が流れることを抑制できる。この結果、循環経路で被酸化物と酸化剤とが混合し、循環経路で着火することを抑制することができる。

また、この発明に係る内燃機関は、上記発明において、前記循環経路には、前記循環経路を流れるガス中の前記被酸化物または前記酸化剤の濃度の少なくともいずれか一方を検出可能な濃度検出手段と、が設けられており、前記供給量決定手段は、前記濃度検出手段の検出結果に基づいて前記被酸化物の供給量と前記酸化剤の供給量とを決定することを特徴とする。

この発明では、濃度検出手段の検出結果に基づいて被酸化物の供給量と酸化剤の供給量とを決定するため、より確実に被酸化物の供給量と酸化剤の供給量とを所望の供給量にすることができる。この結果、より確実に始動性の向上を図ることができる。

本発明に係る内燃機関は、始動性の向上を図ることができる、という効果を奏する。

以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、実施例に係るエンジンの概略図である。同図に示す実施例に係る内燃機関であるエンジン１は、シリンダヘッド１１及びシリンダブロック１２を有しており、シリンダブロック１２におけるシリンダヘッド１１側の反対側には、クランクケース１３が位置している。このうち、シリンダブロック１２の内部には、往復運動可能に設けられたピストン２０が内設されるシリンダ１４が形成されており、エンジン１の運転時におけるピストン２０の下死点方向には、クランク軸であるクランクシャフト２２が設けられている。このクランクシャフト２２は、クランクケース１３内に設けられており、ピストン２０の往復運動の方向と直交する方向に回転軸を有し、当該回転軸を中心に回転可能に形成されている。このように設けられるピストン２０とクランクシャフト２２とは、コネクティングロッド２１によって接続されている。これにより、クランクシャフト２２はピストン２０の往復運動に伴って回転運動が可能になっている。また、シリンダヘッド１１におけるピストン２０に対向している面とシリンダ１４の壁面、及びピストン２０におけるシリンダヘッド１１に対向している面である頂面は、燃焼室１５を形成している。

また、シリンダヘッド１１には、両端が燃焼室１５に連通した経路である循環経路３０が接続されている。この循環経路３０は、空気よりも比熱比が高く、且つ、燃焼室１５との間で循環するガスである作動ガスとして用いられるアルゴンが流通可能な経路として設けられている。このように設けられる循環経路３０が連通した燃焼室１５には、循環経路３０の両端のうちの一端側に、循環経路３０と燃焼室１５との開閉を行う吸気バルブ３５が設けられており、循環経路３０の両端のうちの他端側に、循環経路３０と燃焼室１５との開閉を行う排気バルブ３６が設けられている。

なお、これらの吸気バルブ３５や排気バルブ３６は、クランクシャフト２２の回転に連動して回転するカムシャフト（図示省略）に設けられたカム（図示省略）の作用により、循環経路３０と燃焼室１５とを開閉可能に設けられていてもよく、また、ソレノイドを用いた、いわゆる電磁駆動弁として構成され、電気的な作用により開閉可能に設けられていてもよい。吸気バルブ３５や排気バルブ３６は、循環経路３０と燃焼室１５とを開閉可能に設けられていればよく、その作動手段は問わない。

このように燃焼室１５に連通した循環経路３０には、燃焼室１５に酸化剤である酸素（Ｏ_２）を供給する酸化剤供給手段である酸素供給部４５が設けられている。この酸素供給部４５には、酸素を貯留する酸素タンク（図示省略）が接続されており、酸素供給部４５は、酸素タンク内の酸素を循環経路３０に噴射することを介して燃焼室１５に酸素を供給可能に設けられている。

また、シリンダヘッド１１には、酸素と反応することにより燃焼する被酸化物である水素（Ｈ_２）を燃焼室１５に供給する被酸化物供給手段である水素供給部４０が設けられている。この水素供給部４０には、水素を貯留する水素タンク（図示省略）が接続されており、水素供給部４０は、水素タンク内の水素を燃焼室１５に噴射可能に設けられている。

また、循環経路３０には、循環経路３０を流れるガス中の水素の濃度を検出可能な濃度検出手段である水素センサ５１と、循環経路３０を流れるガス中の酸素の濃度を検出可能な濃度検出手段である酸素センサ５２とが設けられている。これらの水素センサ５１と酸素センサ５２とは、共に循環経路３０における酸素供給部４５が設けられている位置よりも、循環経路３０における排気バルブ３６が位置している側の端部寄りの位置に設けられている。

また、循環経路３０には、循環経路３０を流れる水分を凝縮して凝縮水にする凝縮器６０が設けられている。この凝縮器６０には、内部に冷却水（図示省略）が流れる冷却水路６２が通っており、冷却水路６２にはラジエタ６１が接続されている。このラジエタ６１と冷却水路６２とは、閉じられた経路になっており、冷却水路６２にはウォータポンプ６３が設けられている。このウォータポンプ６３を作動させることにより、冷却水路６２とラジエタ６１とは、冷却水が循環可能に設けられている。

また、凝縮器６０には排水バルブ６４が設けられており、凝縮器６０で凝縮した凝縮水は、排水バルブ６４を開くことにより、凝縮器６０の外に排水することができる。このように設けられる凝縮器６０は、循環経路３０における水素センサ５１や酸素センサ５２が設けられている位置と酸素供給部４５が設けられている位置との間に配設されている。

また、これらの水素供給部４０、酸素供給部４５、水素センサ５１及び酸素センサ５２は、当該エンジン１を搭載する車両（図示省略）の各部を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０に接続されており、ＥＣＵ７０によって制御可能に設けられている。

図２は、図１に示すエンジンの要部構成図である。ＥＣＵ７０には、処理部７１、記憶部７８及び入出力部７９が設けられており、これらは互いに接続され、互いに信号の受け渡しが可能になっている。また、ＥＣＵ７０に接続されている水素供給部４０、酸素供給部４５、水素センサ５１、酸素センサ５２は、入出力部７９に接続されており、入出力部７９は、これらのセンサ類等との間で信号の入出力を行う。また、記憶部７８には、本実施例に係るエンジンを制御するコンピュータプログラムが格納されている。この記憶部７８は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、またはフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ等のような読み出しのみが可能な記憶媒体）や、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、或いはこれらの組み合わせにより構成することができる。

また、処理部７１は、メモリ及びＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成されており、エンジン１に対して要求する負荷である要求負荷率を決定する要求負荷率決定手段である要求負荷率決定部７２と、運転中のエンジン１の回転数を取得する回転数取得手段である回転数取得部７３と、水素供給部４０による水素の供給量と酸素供給部４５による酸素の供給量とを決定する供給量決定手段である供給量決定部７４と、水素供給部４０による水素の噴射時期や酸素供給部４５による酸素の噴射時期であるか否かを判定する供給時期判定手段である噴射時期判定部７５と、水素供給部４０や酸素供給部４５を制御する供給手段制御手段である供給部制御部７６と、エンジン１が始動時であるか否かを判定する始動時判定手段である始動時判定部９１と、エンジン１の始動が完了したか否かを判定する始動完了判定手段である始動完了判定部９２と、を有している。

ＥＣＵ７０によって制御される水素供給部４０などの制御は、例えば、水素センサ５１などによる検出結果に基づいて、処理部７１が前記コンピュータプログラムを当該処理部７１に組み込まれたメモリに読み込んで演算し、演算の結果に応じて制御する。その際に処理部７１は、適宜記憶部７８へ演算途中の数値を格納し、また格納した数値を取り出して演算を実行する。なお、このように水素供給部４０などを制御する場合には、前記コンピュータプログラムの代わりに、ＥＣＵ７０とは異なる専用のハードウェアによって制御してもよい。

この実施例に係るエンジン１は、以上のごとき構成からなり、以下、その作用について説明する。エンジン１の運転中は、ピストン２０がシリンダ１４内で往復運動を繰り返すことにより、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程を１つのサイクルとしてこのサイクルを繰り返す。ピストン２０の往復運動は、コネクティングロッド２１によってクランクシャフト２２に伝達され、コネクティングロッド２１とクランクシャフト２２との作用により往復運動が回転運動に変換され、クランクシャフト２２が回転する。また、エンジン１の運転時には、クランクシャフト２２の回転位置や、車両の運転席に設けられるアクセルペダル（図示省略）の操作量であるアクセル開度等の運転状態に応じて、水素供給部４０から水素を噴射したり、酸素供給部４５から酸素を噴射したりする。また、エンジン１の運転時は、クランクシャフト２２の回転位置に応じて吸気バルブ３５や排気バルブ３６は往復運動をし、循環経路３０と燃焼室１５との連通と遮断とを繰り返す。

エンジン１の運転時には、このように吸気バルブ３５や排気バルブ３６が往復運動して循環経路３０と燃焼室１５との連通と遮断とを繰り返すことにより、吸排気を行ない、上記の４つの行程を繰り返す。各行程の概略は、吸気行程では酸素供給部４５から酸素を噴射した状態で吸気バルブ３５を開弁し、排気バルブ３６を閉弁する。これにより、ピストン２０が上死点側から下死点方向に移動することにより、燃焼室１５は、循環経路３０を流れるアルゴンと、循環経路３０に噴射された酸素とを循環経路３０における吸気バルブ３５側から吸気する。即ち、循環経路３０における吸気バルブ３５側の端部からは、燃焼室１５が吸気するガスが燃焼室１５に対して流出する。圧縮行程では、吸気バルブ３５も排気バルブ３６も閉弁し、この状態でピストン２０が上死点方向に移動することにより、燃焼室１５内のガスを圧縮する。この圧縮により、燃焼室１５内のガスである酸素とアルゴンは温度が上昇する。

また、燃焼行程では、水素供給部４０から水素を噴射することにより、燃焼室１５では水素と酸素とが混合する。この酸素は、圧縮行程で温度が上昇しているので、水素と酸素とが混合した場合、水素は酸素と反応して自着火し、燃焼する。このように水素が燃焼した場合、急激に圧力と温度とが上昇し、この圧力によりピストン２０は下死点方向に移動する。さらに、ピストン２０の移動に伴って、コネクティングロッド２１を介してピストン２０に接続されたクランクシャフト２２が回動する。また、このように水素が燃焼した場合、燃焼時に上昇した熱はアルゴンに伝達され、アルゴンの温度も上昇するが、アルゴンは空気よりも比熱比が高くなっている。このため、アルゴンの温度が上昇した場合、アルゴンは大きく膨張しようとし、ピストン２０に対して圧力を付与する。これによりピストン２０は、水素の燃焼時の圧力のみでなく、アルゴンが膨張する際の圧力によっても下死点方向に移動し、クランクシャフト２２は、このピストン２０の移動に伴って回動する。

また、排気行程では、吸気バルブ３５は閉弁し、排気バルブ３６は開弁した状態でピストン２０が上死点方向に移動することにより、水素の燃焼後の排気ガスが、燃焼室１５から、循環経路３０における排気バルブ３６側の端部から循環経路３０に排気される。つまり、循環経路３０には、燃焼室１５で水素が燃焼した後の排気ガスが燃焼室１５から流入する。その際に、循環経路３０には、水素の燃焼後の排気ガスと共に燃焼室１５内のアルゴンも流入する。ここで、水素が燃焼した場合、水素と酸素とが化学反応をして、水（Ｈ_２Ｏ）が発生する。このため、水素の燃焼後の排気ガスの成分は、主に水分になっており、循環経路３０には、水分である水蒸気が流入する。

循環経路３０を流れる排気ガスやアルゴンなどのガスは、循環経路３０における排気バルブ３６側の端部側から吸気バルブ３５側の端部方向に流れる。その際に、このガスは、循環経路３０に設けられる凝縮器６０に流入する。この凝縮器６０には、冷却水が流れる冷却水路６２が通っており、凝縮器６０に流入したガスは、凝縮器６０に配設される冷却水路６２を流れる冷却水との間で熱交換を行う。ここで、この冷却水は、冷却水路６２とラジエタ６１とを循環しており、ラジエタ６１を通過する際に放熱することにより、温度が低下する。このため、凝縮器６０に配設された冷却水路６２に冷却水が流入する場合には、この冷却水は温度が低下した状態で流れる。従って、凝縮器６０に流入したガスが、凝縮器６０に配設される冷却水路６２を流れる冷却水との間で熱交換を行う場合には、ガスの熱は冷却水に伝達され、ガスの温度が低下する。このため、このガスに含まれる排気ガスの主成分である水蒸気は、温度が低下することにより凝縮して液体の水になり、循環経路３０を流れるガスから除去される。凝縮器６０で凝縮された水は、ＥＣＵ７０による制御により排水バルブ６４を開いた際に、凝縮器６０から排水される。

凝縮器６０により温度が低下すると共に水分が除去されたガスは、凝縮器６０から流出して循環経路３０を流れ、循環経路３０における吸気バルブ３５側の端部の方向に流れて、吸気行程時に燃焼室１５に吸気される。即ち、作動ガスであるアルゴンは、燃焼室１５と循環経路３０との間で循環する。

エンジン１の運転時には、このようにアルゴンが循環しながら運転をするが、その際に、燃焼室１５での燃焼に用いられなかった水素と酸素が、排気ガスとなって燃焼室１５から循環経路３０に排出される場合がある。実施例に係るエンジン１では、燃焼室１５から循環経路３０に排出される排気ガス中の水素と酸素との濃度が、所定の濃度以下になるように水素と酸素の供給量を調節する。具体的には、水素供給部４０から噴射する噴射量と酸素供給部４５から噴射する酸素の噴射量、即ち、水素と酸素の供給量は、アクセル開度やエンジン１の運転状態等に応じて、ＥＣＵ７０の処理部７１が有する供給量決定部７４で決定するが、この供給量決定部７４は、排気ガス中の水素の濃度と酸素の濃度とが共に所定の濃度以下になるように、水素の供給量と酸素の供給量とを決定する。

図３は、酸素の過剰割合と排気ガス中の水素や酸素の濃度との関係を示す説明図である。同図における横軸は、水素の供給量に対する酸素の供給量の過不足の割合である酸素過剰割合を示しており、図中の右に向かうに従って水素の供給量に対して酸素の供給量が多くなり、左に向かうに従って水素の供給量に対して酸素の供給量が少なくなっていることを示している。また、縦軸は、排気ガス中の水素や酸素の濃度を示しており、図中の上に向かうに従って水素や酸素の濃度が高くなっており、下に向かうに従って濃度が低くなっていることを示している。供給量決定部７４は、水素の供給量と酸素の供給量とを決定する場合には、排気ガス中の水素と酸素との双方の濃度が、共に所定の濃度以下になるように、水素と酸素の供給量を決定する。

つまり、水素の供給量に対して酸素の供給量が多過ぎる場合には、燃焼室１５で水素が燃焼した場合に酸素が余るので、排気ガス中の水素の濃度である水素濃度ＨＤは低くなり、酸素の濃度である酸素濃度ＯＤは高くなる。反対に、水素の供給量に対して酸素の供給量が少な過ぎる場合には、燃焼室１５で水素が燃焼した場合に水素が余るので、排気ガス中の水素濃度ＨＤは高くなり、酸素濃度ＯＤは低くなる。

このように、排気ガス中の水素濃度ＨＤと酸素濃度ＯＤとは、図３に示すように酸素過剰割合によってどちらか一方の濃度が高くなり易くなっているが、供給量決定部７４は、水素濃度ＨＤと酸素濃度ＯＤとの双方の濃度が共に所定の濃度である基準濃度ＳＤ以下になるように、水素の供給量と酸素の供給量とを決定する。換言すると、供給量決定部７４は、水素濃度ＨＤと酸素濃度ＯＤとが、共に酸素の供給量が過不足なく、最適な範囲である最適範囲ＯＲ内の濃度になるように、水素の供給量と酸素の供給量とを決定する。

なお、水素の供給量と酸素の供給量との決定に用いられる基準濃度ＳＤは、予めＥＣＵ７０の記憶部７８に記憶されている。供給量決定部７４で、水素濃度ＨＤと酸素濃度ＯＤとが基準濃度ＳＤ以下になるように水素の供給量と酸素の供給量とを決定する場合には、供給量決定部７４は、水素センサ５１で検出する排気ガス中の水素の濃度と、酸素センサ５２で検出する排気ガス中の酸素の濃度とに基づいて決定する。

図４は、実施例に係るエンジンの通常運転時の処理手順を示すフロー図である。次に、実施例に係るエンジン１の制御方法、即ち、当該エンジン１の処理手順について説明する。なお、以下の処理は、エンジン１の運転中に各部を制御する際に、所定の期間ごとに呼び出されて実行する。実施例に係るエンジン１の処理手順では、まず、要求負荷率を決定する（ステップＳＴ１０１）。この決定は、ＥＣＵ７０の処理部７１が有する要求負荷率決定部７２で行う。要求負荷率決定部７２は、アクセル開度を取得し、取得したアクセル開度より、車両の運転者がエンジン１に対して要求する負荷である要求負荷率を決定する。

次に、エンジン回転数を取得する（ステップＳＴ１０２）。この取得は、ＥＣＵ７０の処理部７１が有する回転数取得部７３で取得する。回転数取得部７３は、エンジン１に設けられ、クランクシャフト２２の角速度を検出可能なクランク角センサ（図示省略）の検出結果より、クランクシャフト２２の角速度を取得し、この角速度の取得を介してエンジン回転数を取得する。

次に、負荷と回転数とから水素の供給量を決定する（ステップＳＴ１０３）。この決定は、ＥＣＵ７０の処理部７１が有する供給量決定部７４で行う。供給量決定部７４は、要求負荷率決定部７２で決定した要求負荷率と、回転数取得部７３で取得したエンジン回転数とより、エンジン１の回転数が回転数取得部７３で取得した回転数の場合に要求負荷率決定部で決定した要求負荷率を得ることができる水素の供給量を決定する。

次に、排気ガス中の水素濃度と酸素濃度との双方の濃度が基準濃度ＳＤ以下になるように酸素の供給量を決定する（ステップＳＴ１０４）。この決定は、水素の供給量を決定する場合と同様に、供給量決定部７４で行う。供給量決定部７４は、当該供給量決定部７４で決定した水素の供給量に基づいて酸素の供給量を決定し、燃焼室１５で水素を燃焼させた際に排気ガス中の水素濃度と酸素濃度との双方の濃度が、予め記憶部７８に記憶された基準濃度ＳＤ以下の濃度になるようにすることができる酸素の量を、酸素供給部４５で供給する酸素の供給量として決定する。

次に、噴射時期であるか否かを判定する（ステップＳＴ１０５）。この判定は、ＥＣＵ７０の処理部７１が有する噴射時期判定部７５で判定する。この噴射時期判定部７５は、クランク角センサの検出結果より、エンジン１が吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程のうち、どの行程であるかを判断し、この判断に基づいて、水素供給部４０の噴射時期や酸素供給部４５の噴射時期であるか否かを判定する。具体的には、エンジン１が吸気行程、或いは吸気行程の直前の場合には、噴射時期判定部７５は酸素供給部４５での酸素の噴射時期であると判定し、エンジン１が燃焼行程、或いは燃焼行程の直前の場合には、噴射時期判定部７５は水素供給部４０での水素の噴射時期であると判定し、エンジン１がこれら以外の状態の場合には、噴射時期ではないと判定する。噴射時期判定部７５での判定により、エンジン１の現在の状態は水素や酸素の噴射時期ではないと判定された場合には、この処理手順から抜け出る。

噴射時期判定部７５での判定（ステップＳＴ１０５）により、水素や酸素の噴射時期であると判定された場合には、噴射を実行する（ステップＳＴ１０６）。この噴射の実行は、ＥＣＵ７０の処理部７１が有する供給部制御部７６で行う。供給部制御部７６で水素や酸素の噴射を実行する場合には、噴射時期判定部７５による判定で、噴射時期であると判定された方の噴射を実行する。つまり、噴射時期判定部７５による判定で、水素供給部４０での水素の噴射時期であると判定した場合には、水素供給部４０で水素の噴射を実行し、酸素供給部４５での酸素の噴射時期であると判定した場合には、酸素供給部４５で酸素の噴射を実行する。

これらのように噴射を実行する場合、供給量決定部７４で決定した噴射量で噴射を実行する。即ち、水素供給部４０で水素を噴射する場合には、供給量決定部７４で決定した供給量の水素（ステップＳＴ１０３）を噴射するように、供給部制御部７６は水素供給部４０を制御し、決定した供給量の水素を水素供給部４０から噴射させる。同様に、酸素供給部４５で酸素を噴射する場合には、供給量決定部７４で決定した供給量の酸素（ステップＳＴ１０４）を噴射するように、供給部制御部７６は酸素供給部４５を制御し、決定した供給量の酸素を酸素供給部４５から噴射させる。噴射を実行した後は、この処理手順から抜け出る。

図５は、実施例に係るエンジンの始動時の処理手順を示すフロー図である。実施例に係るエンジン１では、始動時には通常運転時とは異なる制御を行う。始動時の制御では、まず、始動時であるか否かを判定する（ステップＳＴ２０１）。この判定は、ＥＣＵ７０の処理部７１が有する始動時判定部９１で行う。始動時判定部９１は、クランク角センサの検出結果に基づいてエンジン１の回転数を取得し、取得したエンジン１の回転数が所定の回転数以下の場合には、エンジン１は始動時であると判定し、取得したエンジン１の回転数が所定の回転数より高い場合には、エンジン１は始動時ではない、即ち通常運転時であると判定する。この判定により、エンジン１は始動時ではないと判定された場合には、この処理手順から抜け出る。

始動時判定部９１での判定（ステップＳＴ２０１）により、エンジン１は始動時であると判定された場合には、次に、水素の供給量を決定する（ステップＳＴ２０２）。この決定は、供給量決定部７４で行う。供給量決定部７４は、始動時判定部９１での判定によりエンジン１は始動時であると判定された場合には、エンジン１を始動させるのに必要な量の水素を、水素供給部４０で供給する水素の供給量として決定する。なお、このエンジン１を始動させるのに必要な水素の量は、予めＥＣＵ７０の記憶部７８に記憶されており、供給量決定部７４は、エンジン１の始動時には、このように記憶部７８に記憶された水素の量を、エンジン１を始動させるのに必要な水素の供給量として決定する。

次に、排気ガス中の水素と酸素とのうち酸素のみが残るようにすると共に、酸素の供給割合を通常運転時の酸素の供給割合よりも増加させて酸素の供給量を決定する（ステップＳＴ２０３）。この決定は供給量決定部７４で行う。供給量決定部７４は、排気ガス中の水素濃度が０になり、酸素の供給割合が通常運転時の酸素の供給割合と比較して増加するように、酸素の供給量を決定する。つまり、供給量決定部７４は、当該供給量決定部７４で決定した水素の供給量に基づいて、この供給量の水素を燃焼室１５で燃焼させた場合に排気ガス中の水素の濃度は０になり、酸素の濃度は通常運転時の酸素の濃度よりも高くなる量の酸素を、酸素供給部４５で供給する酸素の供給量として決定する。

次に、噴射時期判定部７５で、水素供給部４０の噴射時期や酸素供給部４５の噴射時期であるか否かを判定する（ステップＳＴ２０４）。この判定により、エンジン１の現在の状態は水素や酸素の噴射時期ではないと判定された場合には、この処理手順から抜け出る。噴射時期判定部７５での判定（ステップＳＴ２０４）により、水素や酸素の噴射時期であると判定された場合には、供給部制御部７６で水素供給部４０や酸素供給部４５を制御し、噴射時期判定部７５による判定で噴射時期であると判定された方の噴射を実行する（ステップＳＴ２０５）。

次に、エンジン１の始動は完了したか否かを判定する（ステップＳＴ２０６）。この判定は、ＥＣＵ７０の処理部７１が有する始動完了判定部９２で行う。始動完了判定部９２は、クランク角センサの検出結果に基づいてエンジン１の回転数を取得し、取得したエンジン１の回転数が所定の回転数以上の場合には、燃焼室１５で水素は継続して安定して燃焼し、エンジン１の始動は完了したと判定し、取得したエンジン１の回転数が所定の回転数より低い場合には、エンジン１の始動は完了していないと判定する。この判定により、エンジン１の始動は完了していなと判定された場合には、この処理手順から抜け出る。

始動完了判定部９２での判定（ステップＳＴ２０６）により、エンジン１の始動は完了したと判定された場合には、始動完了の処理を実行する（ステップＳＴ２０７）。つまり、エンジン１の始動は完了したと判定された場合には、始動完了の処理として、供給量決定部７４で決定する水素や酸素の供給量をエンジン１の通常運転時の供給量にする。

以上のエンジン１は、エンジン１の始動時には、排気ガス中の水素と酸素とのうち酸素のみが残るようにすると共に通常運転時の酸素の供給割合と比較して供給割合を増加させて酸素を供給することにより、燃焼室１５に供給された水素の全て酸素と反応させ、燃焼させることができる。つまり、始動時はガスの乱れが小さいため、水素と酸素のミキシングが悪くなり易くなっている。このため、供給する水素に対して理論割合よりも多くの酸素を供給することにより、ミキシングが多少悪くても、水素と酸素とが出会う確立を高めることができる。この結果、始動時の燃焼を向上させることができ、始動性の向上を図ることができる。

また、排気ガス中の水素の濃度と酸素の濃度とが共に基準濃度ＳＤ以下になるように、水素と酸素の供給量を決定するので、排気ガス中の水素や酸素の濃度が高くなることにより、燃焼室１５が吸気するガス中のアルゴンの濃度が低下することを抑制することができる。つまり、燃焼室１５から排気される排気ガスは循環経路３０を通ってアルゴンと共に燃焼室１５に吸気されるが、排気ガス中の水素や酸素の濃度が高い場合、相対的に循環経路３０を流れるアルゴンの濃度は低下する。このため、燃焼室１５が吸気するガス中のアルゴンの濃度も低下する。これに対し、排気ガス中の水素の濃度と酸素の濃度とを共に基準濃度ＳＤ以下になるようにすることにより、循環経路３０を流れるアルゴンの濃度の低下を抑制することができ、燃焼室１５が吸気するガス中のアルゴンの濃度が低下することを抑制できる。これにより、燃焼室１５で水素を燃焼させる際に、比熱比が高い作動ガスとして用いられるアルゴンの濃度を確保した状態で燃焼させることができる。この結果、熱効率の低下を抑制することができる。

また、このように熱効率の低下を抑制することができるので、要求負荷率に相応する出力を得る場合における水素と酸素の供給量を低減することができる。この結果、燃費の向上を図ることができる。

また、燃焼室１５に必要な量以上の水素や酸素が流入し、アルゴンの濃度が低下すると、比熱比が低下するため、圧縮行程で燃焼室のガスを圧縮した際に圧力や温度が所望の圧力や温度に達しない場合があるが、アルゴンの濃度を確保することにより、これらの圧力や温度を、所望の圧力や温度にすることができる。この結果、より確実に燃焼行程で水素を自着火させることができる。

なお、上述したエンジン１では、排気ガス中の水素濃度と酸素濃度との双方の濃度が基準濃度ＳＤ以下になるように制御をしているが、排気ガス中に含まれるのは、水素と酸素とのうちいずれか一方のみになるように制御をしてもよい。図６は、変形例に係るエンジンの処理手順を示すフロー図である。排気ガス中に含まれるのは水素と酸素とのうちいずれか一方のみになるように制御をする場合でも、実施例に係るエンジン１と同様に、まず、要求負荷率決定部７２で要求負荷率を決定し（ステップＳＴ３０１）、回転数取得部７３でエンジン回転数を取得する（ステップＳＴ３０２）。次に、要求負荷率決定部７２で決定した要求負荷率と、回転数取得部７３で取得したエンジン回転数とより、供給量決定部７４によって水素の供給量を決定する（ステップＳＴ３０３）。

次に、排気ガス中の水素と酸素とのうちどちらか一方のみが定常的に少量余るように酸素の供給量を決定する（ステップＳＴ３０４）。この決定は、水素の供給量を決定する場合と同様に、供給量決定部７４で行う。供給量決定部７４は、例えば排気ガス中の酸素のみが定常的に少量余るようにする場合には、排気ガス中の水素濃度は０になるように酸素の供給量を決定し、水素のみが定常的に少量余るようにする場合には、排気ガス中の酸素濃度は０になるように酸素の供給量を決定する。つまり、供給量決定部７４は、当該供給量決定部７４で決定した水素の供給量に基づいて、燃焼室１５で水素を燃焼させた際に、水素と酸素とのいずれか一方の濃度は０になり、他方の濃度は予め記憶部７８に記憶された基準濃度ＳＤ以下の濃度になるようにすることができる量の酸素を、酸素供給部４５で供給する酸素の供給量として決定する。

次に、噴射時期判定部７５で、水素供給部４０の噴射時期や酸素供給部４５の噴射時期であるか否かを判定する（ステップＳＴ３０５）。この判定により、エンジン１の現在の状態は水素や酸素の噴射時期ではないと判定された場合には、この処理手順から抜け出る。噴射時期判定部７５での判定（ステップＳＴ３０５）により、水素や酸素の噴射時期であると判定された場合には、供給部制御部７６で水素供給部４０や酸素供給部４５を制御し、噴射時期判定部７５による判定で噴射時期であると判定された方の噴射を実行する（ステップＳＴ３０６）。噴射を実行した後は、この処理手順から抜け出る。

このように、排気ガス中の水素と酸素とのうちいずれか一方のみが定常的に少量余るようにすることにより、循環経路３０に水素と酸素との双方が流れることを抑制できる。この結果、循環経路３０で水素と酸素とが混合し、循環経路３０で反応して自着火することを抑制することができる。

また、排気ガス中の水素と酸素とのうちいずれか一方のみが残るようにする場合には、水素センサや酸素センサを用いて制御してもよい。図７は、変形例に係るエンジンの処理手順を示すフロー図である。排気ガス中に含まれるのは水素と酸素とのうちいずれか一方のみが残るようにする場合において水素センサ５１や酸素センサ５２を用いて制御する場合でも、実施例に係るエンジン１と同様に、まず、要求負荷率決定部７２で要求負荷率を決定し（ステップＳＴ４０１）、回転数取得部７３でエンジン回転数を取得する（ステップＳＴ４０２）。次に、要求負荷率決定部７２で決定した要求負荷率と、回転数取得部７３で取得したエンジン回転数とより、供給量決定部７４によって水素の供給量を決定する（ステップＳＴ４０３）。

次に、排気ガス中の水素濃度を検出する（ステップＳＴ４０４）。この検出は、循環経路３０に設けられた水素センサ５１によって循環経路３０を流れる排気ガス中の水素濃度を検出し、検出した水素濃度を供給量決定部７４で取得する。

次に、排気ガス中の水素と酸素とのうち酸素のみが残るように酸素の供給量を決定する（ステップＳＴ４０５）。この決定は供給量決定部７４で行う。供給量決定部７４は、当該供給量決定部７４で取得した水素センサ５１の検出結果に基づいて、排気ガス中の水素濃度は０にし、酸素濃度は基準濃度ＳＤ以下の濃度で排気ガス中に酸素のみが残るように酸素の供給量を決定する。つまり、供給量決定部７４は、当該供給量決定部７４で決定した水素の供給量と、水素センサ５１で検出した排気ガス中の水素の濃度とに基づいて、燃焼室１５で水素を燃焼させた際に排気ガス中の水素の濃度は０になり、少量の酸素のみを残すことができる量の酸素を、酸素供給部４５で供給する酸素の供給量として決定する。

次に、噴射時期判定部７５で、水素供給部４０の噴射時期や酸素供給部４５の噴射時期であるか否かを判定する（ステップＳＴ４０６）。この判定により、エンジン１の現在の状態は水素や酸素の噴射時期ではないと判定された場合には、この処理手順から抜け出る。噴射時期判定部７５での判定（ステップＳＴ４０６）により、水素や酸素の噴射時期であると判定された場合には、供給部制御部７６で水素供給部４０や酸素供給部４５を制御し、噴射時期判定部７５による判定で噴射時期であると判定された方の噴射を実行する（ステップＳＴ４０７）。噴射を実行した後は、この処理手順から抜け出る。

このように、水素センサ５１の検出結果に基づいて水素の供給量と酸素の供給量とを決定することにより、より確実に水素の供給量と酸素の供給量とを所望の供給量にすることができる。従って、排気ガス中の水素の濃度と酸素の濃度とを、より確実に基準濃度ＳＤ以下にすることができる。この結果、より確実に熱効率の低下を抑制することができる。

また、このように水素センサ５１の検出結果に基づいて制御することにより、供給量決定部による水素や酸素の供給量の決定量と、水素供給部４０や酸素供給部４５による実際の噴射量とにずれがある場合でも、水素センサ５１の検出結果に基づいて補正することができるため、供給量の制御精度の向上を図ることができる。この結果、排気ガス中の水素の濃度と酸素の濃度とを、より確実に基準濃度ＳＤ以下にすることができ、より確実に熱効率の低下を抑制することができる。なお、この変形例では、水素センサ５１の検出結果に基づいて制御を行うが、制御精度の向上を図るために排気ガスの成分を検出する検出手段としては、酸素センサ５２を用いてもよい。

なお、上述したエンジン１では、アクセル開度等に基づいて水素の供給量を決定し、その後、水素の供給量に応じて酸素の供給量を決定しているが、アクセル開度等に基づいて酸素の供給量を決定した後、水素の供給量を決定してもよい。つまり、通常のエンジンのように、燃料と大気に含まれる酸素と反応させることにより燃料を燃焼させる場合には、燃料の供給量に応じてエンジンの出力が変化するが、上述したエンジン１のように、燃料となる水素と、水素の燃料に用いる酸素との双方を供給手段により供給する場合には、少ない方の供給量に応じて出力が変化する。即ち、例えば、酸素の供給量が少ない場合には、この酸素と水素とが反応することにより燃焼をするため、この場合のエンジン１の出力は、酸素の供給量に応じて変化する。

このため、上述したエンジン１のように水素と酸素との双方を供給手段により供給する場合には、いずれか一方の供給量を基準にしてエンジン１の出力を制御することができるので、上述したように水素の供給量を決定した後、酸素の供給量を決定してもよく、反対に、酸素の供給量を決定した後、水素の供給量を決定してもよい。また、このように水素と酸素の供給量は、どちらを基準にしてもよいため、始動時や上述した変形例では、水素の供給量を決定（ステップＳＴ２０２、ＳＴ４０３）した後、排気ガス中に酸素のみが残るように酸素の供給量を決定（ステップＳＴ２０３、ＳＴ４０５）しているが、酸素の供給量を決定した後、水素のみが残るように水素の供給量を決定してもよい。

また、上述した説明では、被酸化物として水素を用いており、作動ガスとしてアルゴンを用いているが、被酸化物は水素以外を用いてもよく、作動ガスはアルゴン以外を用いてもよい。即ち、被酸化物は、常温、或いはエンジン１の使用環境時に気体になっており、酸化剤として用いられる酸素と反応することにより燃焼するガスであれば、水素以外のガスを用いてもよい。また、作動ガスは、空気よりも比熱比が高いガスであればよく、例えばアルゴン以外の希ガスを用いるなど、アルゴン以外のガスを用いてもよい。

また、実施例に係るエンジン１では、始動時のみ通常運転時の酸素の供給割合を増加させているが（ステップＳＴ２０３）、エンジンの始動時のみに限らず、エンジンの暖機運転時も酸素の供給割合を増加させてもよい。温度が低い場合には、燃焼速度が遅くなるため、理想的な燃焼状態を得難くなるが、エンジン１の暖機運転時には水素と酸素とのうちいずれか一方の供給割合を通常運転時の供給割合と比較して増加させて水素の供給量と酸素の供給量とを決定することにより、水素と酸素とのうち少ない方を全て他方と反応させ、燃焼させることができる。この結果、暖機運転時の燃焼を向上させることができる。

また、上述したエンジン１は、アルゴンと酸素を吸気した状態で圧縮し、この圧縮によって温度を上昇させた状態で燃焼室１５に燃料である水素を供給することにより自着火させているが、燃焼室１５に点火プラグなどの点火手段を設け、点火プラグによって燃料を着火させる形態であってもよい。この場合、水素供給部４０や酸素供給部４５は、燃焼室１５に直接噴射する直噴タイプでもよく、また、吸気通路としても機能する循環経路３０に噴射するポート噴射タイプでもよい。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、循環経路を備える内燃機関に有用であり、特に、気体燃料を用いる内燃機関に適している。

実施例に係るエンジンの概略図である。図１に示すエンジンの要部構成図である。酸素の過剰割合と排気ガス中の水素や酸素の濃度との関係を示す説明図である。実施例に係るエンジンの通常運転時の処理手順を示すフロー図である。実施例に係るエンジンの始動時の処理手順を示すフロー図である。変形例に係るエンジンの処理手順を示すフロー図である。変形例に係るエンジンの処理手順を示すフロー図である。

符号の説明

１エンジン
１１シリンダヘッド
１２シリンダブロック
１４シリンダ
１５燃焼室
２０ピストン
３０循環経路
３５吸気バルブ
３６排気バルブ
４０水素供給部
４５酸素供給部
５１水素センサ
５２酸素センサ
６０凝縮器
７０ＥＣＵ
７１処理部
７２要求負荷率決定部
７３回転数取得部
７４供給量決定部
７５噴射時期判定部
７６供給部制御部
９１始動時判定部
９２始動完了判定部

Claims

燃焼室に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記酸化剤と反応することにより燃焼する被酸化物を前記燃焼室に供給する被酸化物供給手段と、
両端が前記燃焼室に連通すると共に一端からは前記燃焼室で前記被酸化物が燃焼した後の排気ガスが前記燃焼室から流入し、他端からは前記燃焼室が吸気するガスが前記燃焼室に対して流出可能に設けられており、さらに、空気よりも比熱比が高く、且つ、前記燃焼室との間で循環するガスである作動ガスが流通可能な経路である循環経路と、
前記被酸化物の供給量と前記酸化剤の供給量とを決定すると共に、内燃機関の始動時には前記酸化剤の供給割合を通常運転時の供給割合と比較して増加させて前記被酸化物の供給量と前記酸化剤の供給量とを決定する供給量決定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
前記供給量決定手段は、前記排気ガス中の前記被酸化物の濃度と前記酸化剤の濃度とが共に所定の濃度以下になるように前記被酸化物の供給量と前記酸化剤の供給量とを決定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記供給量決定手段は、前記内燃機関の通常運転時には前記被酸化物と前記酸化剤とのうちいずれか一方のみが定常的に前記排気ガスに含まれるように前記被酸化物の供給量と前記酸化剤の供給量とを決定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。