JP5170328B2

JP5170328B2 - 作動ガス循環型エンジン

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Publication number: JP5170328B2
Application number: JP2011552611A
Authority: JP
Inventors: 錬太郎黒木; 大作澤田; 享加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-02-03
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Description

本発明は、作動ガス循環型エンジンに関する。

従来のエンジンとして、作動ガスを燃焼室の排気側から吸気側に循環させ再び燃焼室に供給可能な、いわゆる、クローズドサイクルエンジンとしての作動ガス循環型エンジンが知られている。このような従来の作動ガス循環型エンジンとして、例えば、特許文献１には燃焼室内にて燃料としての水素を燃焼させるとともに不活性ガスを作動ガスとして使用する内燃機関が開示されている。この内燃機関は、燃焼室から排出されたガスに含まれる生成物としての水蒸気を水分除去装置によって除去し、水蒸気を除去した不活性ガスを循環経路を介して燃焼室に再び循環させるとともに、除去した水に溶存している不活性ガスの分子を脱気装置によって気体の状態に戻しこれも燃焼室に再度供給する。

特開２００７−０６４０９２号公報

ところで、上述のような特許文献１に記載されている内燃機関は、例えば、作動ガスを燃焼室の排気側から吸気側に循環させる循環経路に外部からガス（例えば大気）が流入するなどして循環経路を循環するガス中に不要なガスが混入した場合に熱効率の低下をまねくおそれがあり、これにより、安定した出力が得られないおそれがあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、安定した出力を得ることができる作動ガス循環型エンジンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る作動ガス循環型エンジンは、燃料の燃焼に伴って空気より比熱比の高い作動ガスが膨張可能である燃焼室と、前記作動ガスを含むガスを前記燃焼室の排気側から吸気側に循環させ再び前記燃焼室に供給可能である循環経路と、前記循環経路を循環するガスの比熱比に基づいて、前記燃料の燃焼を制御するための制御パラメータを変える制御装置とを備えることを特徴とする。

また、上記作動ガス循環型エンジンでは、前記制御装置は、前記循環経路を循環するガスの比熱比が小さくなるほど前記燃料の燃焼が向上するように前記制御パラメータを変えるものとすることができる。

また、上記作動ガス循環型エンジンでは、前記制御装置は、前記循環経路を循環するガスの圧力又は温度に基づいて前記制御パラメータを変えるものとすることができる。

また、上記作動ガス循環型エンジンでは、前記制御パラメータは、少なくとも、前記燃焼室に前記燃料を供給する供給時期、前記燃焼室内の前記燃料に点火する点火時期、あるいは、前記燃焼室に供給する前記燃料の供給量のいずれか１つを含むものとすることができる。

また、上記作動ガス循環型エンジンでは、前記制御装置は、少なくとも、前記循環経路を循環するガスの比熱比が小さくなるほど前記燃焼室に前記燃料を供給する供給時期を進角する制御、前記循環経路を循環するガスの比熱比が小さくなるほど前記燃焼室内の前記燃料に点火する点火時期を進角する制御、あるいは、前記循環経路を循環するガスの比熱比が小さくなるほど前記燃焼室に供給する前記燃料の供給量を多くする制御のいずれか１つの制御を実行するものとすることができる。

本発明に係る作動ガス循環型エンジンは、制御装置が循環経路を循環するガスの比熱比に基づいて燃料の燃焼を制御するための制御パラメータを変えることから、安定した出力を得ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施形態１に係るエンジンの模式的な概略構成図である。図２は、実施形態１に係るエンジンの他の構成を説明する模式的な概略構成図である。図３は、実施形態１に係るエンジンにおける制御の一例を説明するフローチャートである。図４は、実施形態１に係るエンジンにおける比熱比検出の一例を説明する模式図である。図５は、実施形態１に係るエンジンの制御マップの一例である。図６は、実施形態２に係るエンジンの模式的な概略構成図である。図７は、実施形態２に係るエンジンにおける制御の一例を説明するフローチャートである。図８は、実施形態２に係るエンジンにおける制御の一例を説明するフローチャートである。

以下に、本発明に係る作動ガス循環型エンジンの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態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。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るエンジンの模式的な概略構成図、図２は、実施形態１に係るエンジンの他の構成を説明する模式的な概略構成図、図３は、実施形態１に係るエンジンにおける制御の一例を説明するフローチャート、図４は、実施形態１に係るエンジンにおける比熱比検出の一例を説明する模式図、図５は、実施形態１に係るエンジンの制御マップの一例である。

図１に示す本実施形態の作動ガス循環型エンジンとしてのエンジン１は、エンジン本体１０の燃焼室１１に酸化剤と燃料と作動ガスとが供給され、この燃焼室１１にて燃料の燃焼に伴って作動ガスが膨張することで動力を発生させる。そして、このエンジン１は、燃焼室１１の吸気側と排気側とを繋ぐ循環経路２０を介して、燃焼室１１の排気側から吸気側に作動ガスを循環させ、基本的には大気へと放出することなく再びこの燃焼室１１に供給可能に構成したいわゆるクローズドサイクルエンジンである。燃焼室１１と循環経路２０とは、ともに作動ガスが充填されており、作動ガスは、燃焼室１１と循環経路２０との間で循環する。

ここで、このエンジン１に用いられる酸化剤は、酸素（Ｏ₂）であり、燃料は水素（Ｈ₂）である。また、このエンジン１に用いられる作動ガスは、空気よりも比熱比の高いものであり、ここでは、単原子ガスのアルゴン（Ａｒ）である。

具体的には、このエンジン１は、図１に示すように、燃焼室１１が設けられるエンジン本体１０と、循環経路２０と、酸素供給装置３０と、水素供給装置４０と、凝縮器５０と、制御装置としての電子制御装置６０とを備える。

エンジン本体１０は、酸素と水素とアルゴンとが供給され、水素の燃焼に伴ってアルゴンが膨張可能である燃焼室１１を含んで構成される。燃焼室１１は、水素の燃焼後にアルゴンと燃焼生成物としての水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とを排気可能である。なお、このエンジン本体１０は、図示していないが複数の燃焼室１１（気筒）を有している。循環経路２０は、アルゴンを含む循環ガスを燃焼室１１の排気側から吸気側に循環させ再び燃焼室１１に供給可能なものである。循環経路２０は、燃焼室１１に連通する吸気ポート１２及び排気ポート１３と、吸気ポート１２と排気ポート１３とを燃焼室１１の外側で接続する循環通路２１とを含んで構成され、基本的には全体として外気に対して密閉された循環系をなす。

ここで、循環ガスとは、循環経路２０を介して燃焼室１１の排気側から吸気側に循環されるガスであり、作動ガスとしてのアルゴンの他、燃焼室１１での水素の燃焼後に燃焼室１１から排気される排気ガス等を含むものである。ここで、排気ガスとは、例えば、燃焼室１１での水素の燃焼後に残留する余剰の酸素、水素などからなる余剰ガスや水素の燃焼に伴って生成される生成物としての水蒸気などを含むものである。つまり、ここでの循環ガスは、作動ガスとしてのアルゴン、燃焼後の余剰の酸素、水素などからなる余剰ガス、水蒸気などを含むものである。

酸素供給装置３０は、高圧酸素を循環経路２０内、ここでは吸気ポート１２内に向けて噴射して供給し、アルゴンなどを含む循環ガスと共に燃焼室１１に供給するものである。水素供給装置４０は、高圧水素を燃焼室１１内に向けて直接噴射して供給するものである。凝縮器５０は、循環経路２０に設けられこの循環経路２０を循環する循環ガスから大部分の水蒸気を取り除くものである。凝縮器５０は、冷却水循環路５１に設けられた冷却水ポンプ５２が駆動することで、ラジエータ５３にて冷却された冷却媒体としての冷却水が冷却水循環路５１を介して内部に供給される。そして、凝縮器５０は、冷却水と循環ガスとを熱交換させることで循環ガスを冷却し、循環ガス中に含まれる水蒸気を液化・凝縮し凝縮水とし、この循環ガスから大部分の水蒸気を分離する。凝縮器５０で凝縮された凝縮水は、排出弁５４を介して循環経路２０の循環系外に排出される。

電子制御装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェースを含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子回路である。電子制御装置６０は、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ６１、クランク角度を検出するクランク角度センサ６２、筒内圧力を検出する筒内圧力センサ６３などの種々のセンサが検出した検出結果に対応した電気信号が入力される。ここで、アクセル開度は、車両の運転席に設けられるアクセルペダル（不図示）の操作量に相当し、さらに言えば、運転者がこのエンジン１に対して要求する要求エンジン負荷（要求負荷率）に応じた値である。クランク角度は、ピストン１６にコネクティングロッドを介して連結されるクランクシャフトの回転角度に相当する。筒内圧力は、燃焼室１１内の圧力に相当する。電子制御装置６０は、例えば、クランク角度センサ６２が検出したクランク角度に基づいて各気筒における吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を判別すると共に、エンジン１の回転速度としてエンジン回転数（ｒｐｍ）を算出する。電子制御装置６０は、入力された検出結果に応じて酸素供給装置３０、水素供給装置４０、冷却水ポンプ５２、排出弁５４などのエンジン１の各部に駆動信号を出力しこれらの駆動を制御する。

上記のように構成されるエンジン１は、水素を拡散燃焼させるものとして例示する。エンジン１は、吸気ポート１２に設けられた吸気弁１４の開弁時に、循環経路２０を循環する循環ガスが酸素供給装置３０からの酸素と共に燃焼室１１に吸気（供給）される。エンジン１は、ピストン１６の動作に応じて燃焼室１１内に形成された高温の圧縮ガス（酸素及びアルゴン）の中に水素供給装置４０から高圧の水素を噴射することにより、この水素の一部が自己着火し、水素と圧縮ガス（酸素）とが拡散混合しながら燃焼する。エンジン１は、これに伴って燃焼室１１内で水蒸気が生成されると共に、比熱比の大きいアルゴンが熱膨張を起こす。この結果、このエンジン１は、水素の燃焼とアルゴンの熱膨張とによってピストン１６が押し下げられクランクシャフトが回転し、機械的な動力を発生させることができる。そして、エンジン１は、排気ポート１３に設けられた排気弁１５の開弁に伴って、燃焼室１１内から水素の燃焼後の排気ガスがアルゴンと共に排気ポート１３に排気（排出）され、排気ガスとアルゴンとが循環ガスとして循環経路２０を循環し再び燃焼室１１に吸気される。この間、エンジン１は、循環ガス中の水蒸気の大部分が凝縮器５０にて液化・凝縮され分離される。これにより、エンジン１は、比熱比の小さい水蒸気が燃焼室１１に供給されず、比熱比の大きいアルゴンが燃焼室１１へと再び供給されるので、アルゴンによる熱効率の高い運転を行うことができる。

この間、電子制御装置６０は、アクセル開度センサ６１が検出したアクセル開度やクランク角度センサ６２が検出したクランク角度等に基づいた要求エンジン負荷やエンジン回転数等の運転状態に応じて、酸素供給装置３０、水素供給装置４０による酸素、水素の供給量（噴射量）や供給時期（噴射時期）を制御する。電子制御装置６０は、基本的には、現在のエンジン回転数において、エンジン１に要求された要求エンジン負荷を得ることができる水素、酸素の供給量、供給時期を決定する。

なお、このエンジン１は、水素を燃焼室１１内に向けて直接噴射して自己着火させ拡散燃焼させる筒内直噴自己着火拡散燃焼形式の構成として例示したがこれに限らない。エンジン１は、例えば、図２に示すように、燃焼室１１に供給された水素に点火可能な点火装置としての点火プラグ１７を備え、この点火プラグ１７が燃焼室１１内で水素に点火する火花点火形式の構成であってもよいし、水素に対して点火プラグ１７で点火して水素の自己着火の補助を行い拡散燃焼させる形式の構成であってもよい。また、エンジン１は、例えば、水素を循環経路２０内ここでは吸気ポート１２内に向けて噴射して供給しアルゴンなどを含む循環ガスと共に燃焼室１１に供給する吸気予混合形式の構成であってもよい。また、エンジン１は、酸素を燃焼室１１内に向けて直接噴射する形式の構成であってもよい。また、エンジン１は、いわゆる希薄燃焼形式の構成であってもよい。

ところで、エンジン１は、上述したように循環経路２０が基本的には全体として外気に対して密閉された循環系をなしているものの、循環経路２０を構成する部材間を完全にシールすることや燃焼室１１内で生じる不要なガス（例えばエンジンオイルが燃えることで発生する二酸化炭素（ＣＯ₂）など）の蓄積を完全に防ぐことは困難である。このため、このようなエンジン１は、例えば、循環経路２０を循環する循環ガス中に酸素、水素、アルゴン等以外の不要な不純ガスが混入することで、循環ガス中のアルゴン比率（アルゴン濃度）が変化しこの循環ガスの比熱比が変化し燃焼室１１内での水素の燃焼条件が変動し、結果的に熱効率の低下をまねくおそれがある。これにより、エンジン１は、安定した出力が得られないおそれがある。

そこで、本実施形態のエンジン１は、電子制御装置６０が循環経路２０を循環する循環ガスの状態をあらわすパラメータに基づいて燃焼室１１における水素の燃焼を制御するための制御パラメータを変える。これにより、エンジン１は、循環ガスの組成や状態の変化に応じた最適な運転条件となるように運転することができるので、安定した出力を得ることができる。

具体的には、電子制御装置６０は、循環ガスの状態をあらわすパラメータとして循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比に基づいて制御パラメータを変える。電子制御装置６０は、種々の公知の手法によって循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比を検出すればよい。

ここで、制御パラメータは、燃焼室１１における水素燃焼に関する操作量であり、エンジン本体１０を通じて燃焼室１１における水素燃焼に影響を与える値である。ここでの制御パラメータは、少なくとも燃焼室１１に水素を供給する供給時期、燃焼室１１内の水素に点火する点火時期、あるいは、燃焼室１１に供給する水素の供給量のいずれか１つを含む。つまり、電子制御装置６０は、制御パラメータとして、水素の供給量（噴射量）、図１、図２のように筒内直噴式の場合には水素の供給時期（噴射時期）、図２のように点火プラグ１７を備える場合には水素の点火時期のいずれか１つあるいは全部を循環ガスの比熱比に基づいて変える。

電子制御装置６０は、基準となる基準制御パラメータ（基準供給時期、基準点火時期、基準供給量）を循環経路２０内の循環ガスの比熱比に応じた所定の補正量で補正することで、循環ガスの比熱比に応じて制御パラメータを変える。基準制御パラメータは、例えば、上述のようにアクセル開度やクランク角度等に基づいた要求エンジン負荷やエンジン回転数等の運転状態に応じて決定される。

具体的には、電子制御装置６０は、循環経路２０内の循環ガスの比熱比が小さくなるほど水素の燃焼が向上するように上記制御パラメータを変更（補正）する。ここでは、電子制御装置６０は、少なくとも、循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比が小さくなるほど燃焼室１１に水素を供給する供給時期を進角する制御、循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比が小さくなるほど燃焼室１１内の水素に点火する点火時期を進角する制御、あるいは、循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比が小さくなるほど燃焼室１１に供給する水素の供給量を多くする制御のいずれか１つの制御を実行する。これにより、エンジン１は、循環経路２０内の循環ガスの比熱比が小さくなるにしたがって水素の燃焼を向上させることができる。

例えば、電子制御装置６０は、エンジン１が筒内直噴式の場合に循環ガスの比熱比が小さくなるほど水素の供給時期を進角させ、循環ガスの比熱比が大きくなるほど水素の供給時期を遅角させる。エンジン１は、例えば、循環ガスの比熱比が低下した場合には、上記のように電子制御装置６０がこの比熱比の低下に応じて水素の供給時期を進角補正することで、着火遅れ時間があっても水素の燃焼完了時期を進角できるので、水素の燃焼を向上させることができ、安定した出力を得ることができる。これにより、エンジン１は、循環ガスの比熱比が変化し燃焼室１１内での水素の燃焼条件が変動した場合であっても、熱効率の低下を抑制することができ、安定した出力を得ることができる。

また例えば、電子制御装置６０は、エンジン１が点火プラグ１７を備える場合に循環ガスの比熱比が小さくなるほど水素の点火時期を進角させ、循環ガスの比熱比が大きくなるほど水素の点火時期を遅角させる。エンジン１は、例えば、循環ガスの比熱比が低下した場合には、上記のように電子制御装置６０がこの比熱比の低下に応じて水素の点火時期を進角補正することで、着火遅れ時間があっても水素の燃焼完了時期を進角できるので、水素の燃焼を向上させることができ、安定した出力を得ることができる。これにより、エンジン１は、循環ガスの比熱比が変化し燃焼室１１内での水素の燃焼条件が変動した場合であっても、熱効率の低下を抑制することができ、安定した出力を得ることができる。

また例えば、電子制御装置６０は、循環ガスの比熱比が小さくなるほど水素の供給量を多くし、循環ガスの比熱比が大きくなるほど水素の供給量を少なくする。エンジン１は、例えば、循環ガスの比熱比が低下した場合には、上記のように電子制御装置６０がこの比熱比の低下に応じて水素の供給量を増量補正することで、水素の燃焼を向上させることができ、安定した出力を得ることができる。これにより、エンジン１は、循環ガスの比熱比が変化し燃焼室１１内での水素の燃焼条件が変動した場合であっても、熱効率が変化することに起因したアクセル開度に対する出力変化を抑制することができ、安定した出力を得ることができる。なお、電子制御装置６０は、循環ガスの比熱比に応じて水素の供給量を補正する場合、この水素の補正量に比例させて酸素の供給量も補正するとよい。

次に、図３のフローチャートを参照してエンジン１における制御の一例を説明する。なお、これらの制御ルーチンは、数ｍｓないし数十ｍｓ毎の制御周期で繰り返し実行される。

まず、電子制御装置６０は、循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比を検出する（Ｓ１００）。電子制御装置６０は、例えば、燃焼室１１に吸気された循環ガスがピストン１６によって圧縮される前と圧縮された後とでの当該循環ガスの体積比及び圧力比に基づいて循環ガスの比熱比を見積もることができる。ここでは一例として、電子制御装置６０は、クランク角度センサ６２、筒内圧力センサ６３が検出したクランク角度、筒内圧力に基づいて循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比を検出する。この場合、クランク角度センサ６２及び筒内圧力センサ６３は、循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比を検出する比熱比検出手段をなす。

例えば図４に示すように、ピストン１６による圧縮前（吸気弁１４の閉弁時期）のクランク角度ｔ１における筒内圧力を「Ｐ１」、クランク角度ｔ１における燃焼室１１の容積を「Ｖ１」、ピストン１６による圧縮後（水素の燃焼開始前）のクランク角度ｔ２における筒内圧力を「Ｐ２」、クランク角度ｔ２における燃焼室１１の容積を「Ｖ２」、循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比を「ｋ」とすると、これらの関係は、下記の基本式（１）で表すことができる。

Ｐ１Ｖ１^k＝Ｐ２Ｖ２^k ・・・（１）

この基本式（１）中の燃焼室１１の容積Ｖ１、Ｖ２は、クランク角度センサ６２が検出するクランク角度に応じて一義的に定まり、筒内圧力Ｐ１、Ｐ２は、筒内圧力センサ６３による検出結果から得ることができる。したがって、電子制御装置６０は、基本式（１）を用いてクランク角度と筒内圧力とから循環経路２０を循環する循環ガスの比熱比を算出することができる。

図３に戻って、次に、電子制御装置６０は、Ｓ１００で検出した循環ガスの比熱比と予め設定される第１所定値とを比較し、循環ガスの比熱比が第１所定値より大きいか否かを判定する（Ｓ１０２）。ここで、第１所定値は、循環ガスの比熱比に対して予め設定される判定値であり、典型的には、上述した基準制御パラメータを設定する際に用いられる循環ガスの基準の比熱比に相当する。

電子制御装置６０は、循環ガスの比熱比が第１所定値より大きいと判定した場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、基準制御パラメータに対して、水素筒内噴射の噴射時期（供給時期）を遅角する補正、水素の点火時期を遅角する補正、あるいは、水素、酸素の供給量を減量する補正のいずれか１つあるいは全部を行い（Ｓ１０４）、最終的に補正した制御パラメータに基づいて水素、酸素の供給や点火を実行し、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。

ここでは、電子制御装置６０は、例えば、図５に例示する制御マップに基づいて、基準制御パラメータである基準供給時期、基準点火時期、あるいは、基準供給量を補正するための補正量を求める。この制御マップは、横軸が循環ガスの比熱比、縦軸が供給時期、点火時期、供給量の補正量を示す。制御マップは、循環ガスの比熱比と各補正量との関係を記述したものである。この制御マップでは、供給時期、点火時期の各補正量は、循環ガスの比熱比の増加にともなってより遅角側に補正されるように変化し、供給量の補正量は、循環ガスの比熱比の増加にともなって減量側に補正されるように変化する。制御マップは、循環ガスの比熱比と各補正量との関係が予め設定された上で電子制御装置６０の記憶部に格納されている。電子制御装置６０は、この制御マップに基づいて、Ｓ１００で検出した循環ガスの比熱比から補正量を求め、求めた補正量に応じて基準供給時期、基準点火時期、あるいは、基準供給量を補正する。なお、本実施形態では、電子制御装置６０は、図５に例示する制御マップを用いて補正量を求めたが、本実施形態はこれに限定されない。電子制御装置６０は、例えば、図５に例示する制御マップに相当する数式に基づいて補正量を求めてもよい。

図３に戻って、電子制御装置６０は、Ｓ１０２にて循環ガスの比熱比が第１所定値以下であると判定した場合（Ｓ１０２：Ｎｏ）、Ｓ１００で検出した循環ガスの比熱比と第１所定値とを比較し、循環ガスの比熱比が第１所定値より小さいか否かを判定する（Ｓ１０６）。

電子制御装置６０は、循環ガスの比熱比が第１所定値より小さいと判定した場合（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）、基準制御パラメータに対して、水素筒内噴射の噴射時期（供給時期）を進角する補正、水素の点火時期を進角する補正、あるいは、水素、酸素の供給量を増量する補正のいずれか１つあるいは全部を行い（Ｓ１０８）、最終的に補正した制御パラメータに基づいて水素、酸素の供給や点火を実行し、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。電子制御装置６０は、図５で例示した制御マップに基づいて、Ｓ１００で検出した循環ガスの比熱比から補正量を求め、求めた補正量に応じて基準供給時期、基準点火時期、あるいは、基準供給量を補正する。

電子制御装置６０は、Ｓ１０６にて循環ガスの比熱比が第１所定値以上であると判定した場合（Ｓ１０６：Ｎｏ）、補正していない基準制御パラメータに基づいて水素、酸素の供給や点火を実行し、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。

以上で説明した本発明の実施形態に係るエンジン１によれば、水素の燃焼に伴って空気より比熱比の高いアルゴンが膨張可能である燃焼室１１と、アルゴンを含むガスを燃焼室１１の排気側から吸気側に循環させ再び燃焼室１１に供給可能である循環経路２０と、循環経路２０を循環するガスの比熱比に基づいて水素の燃焼を制御するための制御パラメータを変える電子制御装置６０とを備える。したがって、エンジン１は、例えば、循環ガスに不純物が混入し循環ガスの比熱比が変化した場合であっても、循環ガスの比熱比に応じた最適な運転条件となるように運転することができるので、安定した出力を得ることができる。

［実施形態２］
図６は、実施形態２に係るエンジンの模式的な概略構成図、図７、図８は、実施形態２に係るエンジンにおける制御の一例を説明するフローチャートである。実施形態２に係る作動ガス循環型エンジンは、循環経路を循環するガスの圧力又は温度に基づいて制御パラメータを変える点で実施形態１に係る作動ガス循環型エンジンとは異なる。その他、上述した実施形態と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

本実施形態の作動ガス循環型エンジンとしてのエンジン２０１は、図６に示すように、循環経路２０を循環する循環ガスの圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ２６４と、循環経路２０を循環する循環ガスの温度を検出する温度検出手段としての温度センサ２６５とを備える。

エンジン２０１は、例えば、循環ガス中への不要な不純ガスの混入やアルゴンなどの外部への漏洩による循環ガスのモル量の変化や外気の温度変化などによって循環ガスの圧力や温度も変化し燃焼室１１内での水素の燃焼条件が変動するおそれがある。そこで、本実施形態の電子制御装置６０は、循環ガスの状態をあらわすパラメータとして、循環ガスの比熱比に加えて、圧力センサ２６４、温度センサ２６５が検出した循環ガスの圧力又は温度に基づいて制御パラメータを変える。これにより、エンジン２０１は、循環ガスの組成や状態の変化に応じたさらなる最適な運転条件となるように運転することができるので、より安定した出力を得ることができる。

具体的には、電子制御装置６０は、循環経路２０内の循環ガスの圧力が小さくなるほど、あるいは、循環経路２０内の循環ガスの温度が低くなるほど、水素の燃焼が向上するように上記制御パラメータを変更（補正）する。

例えば、電子制御装置６０は、エンジン２０１が筒内直噴式の場合に循環ガスの圧力、温度が小さくなるほど水素の供給時期を進角させ、循環ガスの圧力、温度が大きくなるほど水素の供給時期を遅角させる。また、電子制御装置６０は、エンジン２０１が点火プラグ１７を備える場合に循環ガスの圧力、温度が小さくなるほど水素の点火時期を進角させ、循環ガスの圧力、温度が大きくなるほど水素の点火時期を遅角させる。これにより、エンジン２０１は、循環ガスに不純物が混入したり外気の温度が変化したりして循環ガスの圧力や温度が変化し燃焼室１１内での水素の燃焼条件が変動した場合であっても、より最適な運転状態で運転できる。つまり、エンジン２０１は、ピストン１６による圧縮後、水素の燃焼直前の燃焼室１１内の圧力、温度が変化して、着火遅れ時間や水素の燃焼期間が変化しても最適な運転状態で運転でき、熱効率の低下を抑制することができ、より安定した出力を得ることができる。

また、電子制御装置６０は、循環ガスの圧力、温度が小さくなるほど水素の供給量を多くし、循環ガスの圧力、温度が大きくなるほど水素の供給量を少なくする。これにより、エンジン２０１は、循環ガスの圧力、温度が変化し燃焼室１１内での水素の燃焼条件が変動した場合であっても、熱効率が変化することに起因したアクセル開度に対する出力変化を抑制することができ、より安定した出力を得ることができる。

次に、図７、図８のフローチャートを参照してエンジン２０１における制御の一例を説明する。なおここでも、図３で説明した制御と異なる点を重点的に説明する。

図７に例示する制御では、まず、電子制御装置６０は、循環経路２０を循環する循環ガスの圧力を検出する（Ｓ２００）。循環ガスの圧力は、圧力センサ２６４による検出結果から得ることができる。

次に、電子制御装置６０は、Ｓ２００で検出した循環ガスの圧力と予め設定される第２所定値とを比較し、循環ガスの圧力が第２所定値より大きいか否かを判定する（Ｓ２０２）。ここで、第２所定値は、循環ガスの圧力に対して予め設定される判定値であり、典型的には、上述した基準制御パラメータを設定する際に用いられる循環ガスの基準の圧力に相当する。

電子制御装置６０は、循環ガスの圧力が第２所定値より大きいと判定した場合（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、上述したＳ１０４と同様の処理を実行し、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。ただしこの場合、電子制御装置６０は、図５で例示した制御マップに基づいて、Ｓ２００で検出した循環ガスの圧力から補正量を求め、求めた補正量に応じて基準供給時期、基準点火時期、あるいは、基準供給量を補正する。この場合、制御マップは、図５の括弧内に例示するように、横軸が循環ガスの圧力、縦軸が供給時期、点火時期、供給量の補正量を示す。この制御マップでは、供給時期、点火時期の各補正量は、循環ガスの圧力の増加にともなってより遅角側に補正されるように変化し、供給量の補正量は、循環ガスの圧力の増加にともなって減量側に補正されるように変化する。

電子制御装置６０は、Ｓ２０２にて循環ガスの圧力が第２所定値以下であると判定した場合（Ｓ２０２：Ｎｏ）、Ｓ２００で検出した循環ガスの圧力と第２所定値とを比較し、循環ガスの圧力が第２所定値より小さいか否かを判定する（Ｓ２０６）。電子制御装置６０は、循環ガスの圧力が第２所定値より小さいと判定した場合（Ｓ２０６：Ｙｅｓ）、上述したＳ１０８と同様の処理を実行し、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。電子制御装置６０は、Ｓ２０６にて循環ガスの圧力が第２所定値以上であると判定した場合（Ｓ２０６：Ｎｏ）、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。

同様に図８に例示する制御では、まず、電子制御装置６０は、循環経路２０を循環する循環ガスの温度を検出する（Ｓ３００）。循環ガスの温度は、温度センサ２６５による検出結果から得ることができる。

次に、電子制御装置６０は、Ｓ３００で検出した循環ガスの温度と予め設定される第３所定値とを比較し、循環ガスの温度が第３所定値より大きいか否かを判定する（Ｓ３０２）。ここで、第３所定値は、循環ガスの温度に対して予め設定される判定値であり、典型的には、上述した基準制御パラメータを設定する際に用いられる循環ガスの基準の温度に相当する。

電子制御装置６０は、循環ガスの温度が第３所定値より大きいと判定した場合（Ｓ３０２：Ｙｅｓ）、上述したＳ１０４と同様の処理を実行し、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。ただしこの場合、電子制御装置６０は、図５で例示した制御マップに基づいて、Ｓ３００で検出した循環ガスの温度から補正量を求め、求めた補正量に応じて基準供給時期、基準点火時期、あるいは、基準供給量を補正する。この場合、制御マップは、図５の括弧内に例示するように、横軸が循環ガスの温度、縦軸が供給時期、点火時期、供給量の補正量を示す。この制御マップでは、供給時期、点火時期の各補正量は、循環ガスの温度の増加にともなってより遅角側に補正されるように変化し、供給量の補正量は、循環ガスの温度の増加にともなって減量側に補正されるように変化する。

電子制御装置６０は、Ｓ３０２にて循環ガスの温度が第３所定値以下であると判定した場合（Ｓ３０２：Ｎｏ）、Ｓ３００で検出した循環ガスの温度と第３所定値とを比較し、循環ガスの温度が第３所定値より小さいか否かを判定する（Ｓ３０６）。電子制御装置６０は、循環ガスの温度が第３所定値より小さいと判定した場合（Ｓ３０６：Ｙｅｓ）、上述したＳ１０８と同様の処理を実行し、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。電子制御装置６０は、Ｓ３０６にて循環ガスの温度が第３所定値以上であると判定した場合（Ｓ３０６：Ｎｏ）、現在の制御周期を終了し、次の制御周期に移行する。

なお図７、図８の制御は、図３の制御と並行して行われればよく、つまり、電子制御装置６０は、循環ガスの比熱比と圧力と温度とに応じて制御パラメータを補正し、最終的に補正した制御パラメータに基づいて、水素、酸素の供給や点火を実行すればよい。

以上で説明した本発明の実施形態に係るエンジン２０１によれば、電子制御装置６０は、循環経路２０を循環するガスの圧力又は温度に基づいて制御パラメータを変える。したがって、エンジン２０１は、例えば、循環ガスに不純物が混入し循環ガスの圧力又は温度が変化した場合であっても、循環ガスの圧力、温度に応じた最適な運転条件となるように運転することができるので、より安定した出力を得ることができる。

なお、上述した本発明の実施形態に係る作動ガス循環型エンジンは、上述した実施形態に限定されず、請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。本発明の実施形態に係る作動ガス循環型エンジンは、以上で説明した実施形態を複数組み合わせることで構成してもよい。

以上で説明したエンジン２０１は、電子制御装置６０が循環ガスの比熱比と圧力と温度とに応じて制御パラメータを補正するものとして説明したがこれに限らない。電子制御装置６０は、循環ガスの温度には関係なく循環ガスの比熱比と圧力とに応じて制御パラメータを補正してもよいし、循環ガスの圧力には関係なく循環ガスの比熱比と温度とに応じて制御パラメータを補正してもよい。

以上で説明した作動ガス循環型エンジンは、酸化剤が酸素であり燃料が水素であるものとして説明したが、これに限らず、燃焼室にて燃料の燃焼に伴って作動ガスを膨張させることができるものであればよい。また、以上で説明した作動ガスは、アルゴンに限らず、例えば単原子ガスであるヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスであってもよい。

以上のように本発明に係る作動ガス循環型エンジンは、作動ガスを燃焼室の排気側から吸気側に循環させ再び燃焼室に供給可能な種々の作動ガス循環型エンジンに適用して好適である。

１、２０１エンジン（作動ガス循環型エンジン）
１０エンジン本体
１１燃焼室
２０循環経路
３０酸素供給装置
４０水素供給装置
５０凝縮器
６０電子制御装置（制御装置）
６１アクセル開度センサ
６２クランク角度センサ
６３筒内圧力センサ
２６４圧力センサ
２６５温度センサ

Claims

燃料の燃焼に伴って空気より比熱比の高い作動ガスが膨張可能である燃焼室と、
前記作動ガスを含むガスを前記燃焼室の排気側から吸気側に循環させ再び前記燃焼室に供給可能である循環経路と、
前記循環経路を循環するガスの比熱比に基づいて、前記燃料の燃焼を制御するための制御パラメータを変える制御装置とを備えることを特徴とする、
作動ガス循環型エンジン。
前記制御装置は、前記循環経路を循環するガスの比熱比が小さくなるほど前記燃料の燃焼が向上するように前記制御パラメータを変える、
請求項１に記載の作動ガス循環型エンジン。
前記制御装置は、前記循環経路を循環するガスの圧力又は温度に基づいて前記制御パラメータを変える、
請求項１又は請求項２に記載の作動ガス循環型エンジン。
前記制御パラメータは、少なくとも、前記燃焼室に前記燃料を供給する供給時期、前記燃焼室内の前記燃料に点火する点火時期、あるいは、前記燃焼室に供給する前記燃料の供給量のいずれか１つを含む、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の作動ガス循環型エンジン。
前記制御装置は、少なくとも、前記循環経路を循環するガスの比熱比が小さくなるほど前記燃焼室に前記燃料を供給する供給時期を進角する制御、前記循環経路を循環するガスの比熱比が小さくなるほど前記燃焼室内の前記燃料に点火する点火時期を進角する制御、あるいは、前記循環経路を循環するガスの比熱比が小さくなるほど前記燃焼室に供給する前記燃料の供給量を多くする制御のいずれか１つの制御を実行する、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の作動ガス循環型エンジン。