JP5472456B2 - アンモニア燃焼内燃機関 - Google Patents

Description

本発明はアンモニア燃焼内燃機関に関する。

従来より内燃機関では燃料として主に化石燃料が用いられている。しかしながらこの場合、燃料を燃焼させると地球の温暖化を進行させるＣＯ_２が発生する。一方、アンモニアを燃焼させてもＣＯ_２は全く発生しない。そこで、燃料としてアンモニアを用い、ＣＯ_２が発生しないようにした内燃機関が公知である（例えば、特許文献１を参照）。

特開平５−３３２１５２号公報

しかしながらアンモニアは化石燃料に比べて燃焼しづらく、従って燃料としてアンモニアを用いた場合にはアンモニアを燃焼しやすくするための何らかの工夫が必要となる。そこで上述した内燃機関では排気熱を利用してアンモニアを改質することにより水素と窒素からなる改質ガスを生成すると共に、生成された改質ガス中の水素を水素吸蔵合金に貯留させ、燃焼室内にアンモニアに加えて水素吸蔵合金に貯留されている水素を供給することにより燃料としてアンモニアを用いた場合でも容易に燃焼しうるようにしている。
このように、アンモニアに加えて、水素のようなアンモニアよりも燃焼しやすい高燃焼性物質を燃焼室内に供給することにより、アンモニアの燃焼を改善することができる。しかしながら、燃焼室内に供給された混合気中にアンモニアが含まれていると、アンモニアの存在により高燃焼性物質の燃焼性の低下を招いてしまう。このため、燃焼室内にアンモニアに加えて高燃焼性物質を供給する場合には、高燃焼性物質を燃焼し易くして混合気を燃焼し易くするための適切な対処が必要である。しかしながら、特許文献１はこのことについて何ら考慮していない。
そこで、本発明の目的は、アンモニアによる高燃焼性物質の燃焼性の低下を抑制するようにしたアンモニア燃焼内燃機関を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、請求の範囲の各請求項に記載された内燃機関の制御装置を提供する。
本発明の一つの態様では、燃焼室内にアンモニアとアンモニアよりも燃焼しやすい高燃焼性物質とを供給可能なアンモニア燃焼内燃機関において、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、燃焼室に供給された混合気が燃焼しやすくなるように内燃機関の運転パラメータが制御され、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、ピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室内の吸気ガスの温度が高くなるように内燃機関の運転パラメータが制御される。
本発明の別の態様では、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、燃焼室内に吸入される吸気ガスの温度が上昇するように内燃機関の運転パラメータが制御される。
本発明の別の態様では、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして再び燃焼室に供給するＥＧＲ機構を具備し、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、ＥＧＲガスによって燃焼室内に吸入される吸気ガスにもたらされる熱量が増大するようにＥＧＲ機構が制御される。
本発明の別の態様では、吸気弁閉弁時における燃焼室容積に対するピストンが圧縮上死点にある時における燃焼室容積である実圧縮比を制御する実圧縮比変更機構を具備し、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、実圧縮比が高くなるように実圧縮比変更機構が制御される。
本発明の別の態様では、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、吸気弁閉弁時において燃焼室内に充填されている吸気ガス量が多くなるように内燃機関の運転パラメータが制御される。
本発明の別の態様では、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、吸気弁閉弁時において燃焼室内に充填されている空気量が多くなるように内燃機関の運転パラメータが制御される。
本発明の別の態様では、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして再び燃焼室に供給するＥＧＲ機構を具備し、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、吸気弁閉弁時において燃焼室内に充填されているＥＧＲガス量が多くなるように内燃機関の運転パラメータが制御される。
本発明の別の態様では、吸気枝管内又は吸気ポート内に設けられたインパルス弁を具備し、該インパルス弁はインパルス弁よりも下流側の吸気ポート内に負圧を発生させるべく吸気弁の開弁後に開弁せしめられ、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、インパルス弁の開弁時期が遅角せしめられる。
以下、添付図面と本発明の好適な実施形態の記載から、本発明を一層十分に理解できるであろう。

図１は、第一実施形態の内燃機関の全体図である。
図２は、機関本体の断面図である。
図３は、第一実施形態の内燃機関の別の全体図である。
図４は、第一実施形態の内燃機関の別の全体図である。
図５は、燃焼室内へのアンモニア供給量と燃焼室内に供給される吸気ガスの温度との関係を示す図である。
図６は、燃焼室内へのアンモニア供給量に応じた吸気ガスの温度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図７は、圧縮比変更機構を概略的に示す図である。
図８は、燃焼室内へのアンモニア供給量と実圧縮比との関係を示す図である。
図９は、燃焼室内へのアンモニア供給量に応じた実圧縮比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図１０は、燃焼室内へのアンモニア供給量と吸入吸気ガス量との関係を示す図である。
図１１は、燃焼室内へのアンモニア供給量に応じた吸入吸気ガス量の制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図１２は、第一実施形態の第三実施例における機関本体の断面図である。
図１３は、インパルス弁の開弁時期と燃焼室内に供給される吸気ガス量との関係を示す図である。
図１４は、燃焼室内へのアンモニアの供給量とインパルス弁の開弁時期との関係を示す図である。
図１５は、燃焼室内へのアンモニア供給量に応じたインパルス弁の開弁時期制御の制御ルーチンのフローチャートである。
図１６は、燃焼室内へのアンモニア供給量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
図１７は、燃焼室内へのアンモニア供給量に応じたＥＧＲ率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図１８は、第一実施形態の第六実施例における吸気マニホルドを概略的に示した図である。
図１９は、燃焼室内へのアンモニア供給量とスワール制御弁の開度との関係を示した図である。
図２０は、燃焼室内へのアンモニア供給量と高燃焼性物質の供給量及び噴射圧力との関係を示した図である。
図２１は、燃焼室内へのアンモニア供給量に応じた高燃焼性物質噴射弁からの噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図２２は、燃焼室内へのアンモニア供給量と吸気ガスの減量補正量との関係を示す図である。
図２３は、燃焼室内へのアンモニア供給量に応じた空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図２４は、アンモニア及び高燃焼性物質の噴射時期を示す図である。
図２５は、アンモニア噴射弁からのアンモニアの噴射時期制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図２６は、アンモニア及び高燃焼性物質の噴射時期を示す図である。
図２７は、アンモニア噴射弁からのアンモニアの噴射態様を説明するための図である。
図２８は、アンモニア噴射弁からのアンモニア噴射時期制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図２９は、アンモニア噴射弁からのアンモニア噴射時期制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図３０は、アンモニア噴射弁に供給されるアンモニアの燃圧制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図３１は、第二実施形態の第七実施例における内燃機関の全体図である。
図３２は、冷却水温度、機関負荷、機関回転数と液状アンモニア比率との関係を示す図である。
図３３は、アンモニア噴射弁からの液状及びガス状アンモニアの噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図３４は、加熱装置によるアンモニアの加熱制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図３５は、アンモニア供給禁止制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図３６は、第四実施形態の第八実施例における内燃機関の全体図である。
図３７は、第四実施形態の第八実施例の第一変形例における内燃機関の全体図である。
図３８は、第四実施形態の第八実施例の第二変形例における内燃機関の全体図である。
図３９は、第四実施形態の第九実施例における内燃機関の全体図である。
図４０は、アセチレン生成制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図４１は、第四実施形態の第十実施例における内燃機関の全体図である。
図４２は、第五実施形態の第一実施例における内燃機関の全体図である。
図４３は、混合気の構成を概略的に示した図である。
図４４は、第五実施形態の第二実施例における内燃機関の全体図である。
図４５は、第五実施形態の第二実施例の変形例における内燃機関の全体図である。
図４６は、第五実施形態の第三実施例における内燃機関の全体図である。
図４７は、第五実施形態の第四実施例における内燃機関の全体図である。
図４８は、アンモニア供給割合補正量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
まず、図１を参照して本発明の第一実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は点火装置、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４の各吸気枝管４ａにはそれぞれ対応する吸気ポート内に向けて液状アンモニアを噴射するためのアンモニア噴射弁６ａが配置される。また、各気筒の燃焼室２の上面には燃焼室２内に向けてアンモニアよりも燃焼し易い高燃焼性物質を噴射するための高燃焼性物質噴射弁６ｂが配置される。高燃焼性物質としては、アンモニアよりも燃焼し易い燃料又はアンモニアの燃焼を補助する助燃剤、例えば、ガソリン、軽油、液化天然ガス又は水素等を用いることができる。
吸気マニホルド４は吸気ダクト７を介して排気ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａの出口に連結され、コンプレッサ８ａの入口はエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト７内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０と、例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１１とが配置される。さらに吸気ダクト７周りには吸気ダクト７内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１２が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置１２内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ８の排気タービン８ｂの入口に連結され、排気タービン８ｂの出口は排気管１３を介して上流側排気浄化装置１４に連結される。図１に示した実施形態では、この上流側排気浄化装置１４は、排気ガス中のアンモニアを吸着しうるアンモニア吸着材又は排気ガス中のＮＯ_Ｘを吸着しうるＮＯ_Ｘ吸着材等とされる。上流側排気浄化装置１４は排気管１５を介して下流側排気浄化装置１６に連結される。図１に示した実施形態では、この下流側排気浄化装置１６は、排気ガス中に含まれるアンモニアやＮＯ_Ｘを浄化しうる酸化触媒、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒又はＮＯ_Ｘ選択還元触媒等とされる。
各気筒について詳しく示す図２を参照すると、２０はシリンダブロック、２１はシリンダブロック２０上に固定されたシリンダヘッド、２２はシリンダブロック２０内で往復動するピストン、２はピストン２２とシリンダヘッド２１との間に形成された燃焼室、２３は吸気ポート、２４は吸気弁、２５は排気ポート、２６は排気弁をそれぞれ示している。吸気マニホルド４の吸気枝管４ａにはアンモニア噴射弁６ａが配置され、シリンダヘッド２１の内壁面の外周部には高燃焼性物質噴射弁６ｂが配置される。ピストン２２の上面にはキャビティ２７が設けられる。
再び図１を参照すると、各アンモニア噴射弁６ａはアンモニアリザーバ２８に連結される。このアンモニアリザーバ２８はアンモニア供給管２９を介してアンモニアタンク３０に接続される。アンモニア供給管２９には電子制御式の吐出量可変なアンモニア供給ポンプ３１が配置され、このアンモニア供給ポンプ３１によってアンモニアタンク３０内のアンモニアがアンモニアリザーバ２８に供給される。一方、各高燃焼性物質噴射弁６ｂは高燃焼性物質リザーバ３２に連結される。この高燃焼性物質リザーバ３２は高燃焼性物質供給管３３を介して高燃焼性物質タンク３４に接続される。高燃焼性物質供給管３３には電子制御式の吐出量可変な高燃焼性物質供給ポンプ３５が配置され、この高燃焼性物質供給ポンプ３５によって高燃焼性物質タンク３４内の高燃焼性物質が高燃焼性物質リザーバ３２に供給される。
また、排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路３６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁３７が配置される。また、ＥＧＲ通路３６周りにはＥＧＲ通路３６内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置３８が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置３８内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。吸入空気量検出器１１の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート４５に入力される。さらに、アクセルペダル５１にはアクセルペダル５１の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５２が接続され、負荷センサ５２の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。さらに入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば１０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５３が接続される。一方、出力ポート４６は、対応する駆動回路を介して、点火装置３、アンモニア噴射弁６ａ、高燃焼性物質噴射弁６ｂ、スロットル弁１０駆動用のアクチュエータ、アンモニア供給ポンプ３１、高燃焼性物質供給ポンプ３５及びＥＧＲ制御弁３７に接続されている。
このように構成されたアンモニア燃焼内燃機関では、機関運転時にはアンモニア噴射弁６ａから液状アンモニアが各気筒の吸気ポート２３内に噴射されると共に、高燃焼性物質噴射弁６ｂから高燃焼性物質が各気筒の燃焼室２内に噴射される。このように吸気ポート２３内に噴射された液状アンモニア及び燃焼室２内に噴射された高燃焼性物質とは、燃焼室２内に流入した空気と混合されて混合気を形成する。
燃焼室２内に流入した混合気は圧縮行程の後半に点火装置３によって点火される。アンモニアが完全燃焼せしめられると、理論的にはＮ_２とＨ_２Ｏとなり、ＣＯ_２は全く発生しない。しかしながら実際にはアンモニアが燃焼しても未燃のアンモニアが残存すると共に、燃焼室２内での混合気の燃焼によってＮＯ_Ｘが生成される。また、混合気にはアンモニアに加えて高燃焼性物質が含まれるため、この高燃焼性物質の性状によっては燃焼室２内で混合気の燃焼が行われても未燃の高燃焼性物質が残存したりＮＯ_Ｘが生成されたりする。このため、燃焼室２からは未燃アンモニア、ＮＯ_Ｘ又は未燃高燃焼性物質等が排出される。したがって、機関排気通路内には排気ガス中に含まれる未燃アンモニア、ＮＯ_Ｘ又は未燃の高燃焼性物質等を浄化しうる下流側排気浄化装置１６が配置されている。
しかしながら冷間始動時等には、下流側排気浄化触媒１６の温度が低いため、下流側浄化触媒１６が活性化しておらず、よって機関本体から排出された未燃アンモニアを浄化することができない。そこで、本実施形態では、排気ガス中に含まれるアンモニア、ＮＯ_Ｘ又は未燃の高燃焼性物質を吸着可能であって温度上昇すると吸着したアンモニア、ＮＯ_Ｘ又は未燃の高燃焼性物質を放出する上流側排気浄化装置１４が下流側排気浄化装置１６上流の機関排気通路内に配置されている。
なお、本実施形態では、アンモニア噴射弁６ａが吸気枝管４ａに配置されて吸気ポート２３内に向けて液状アンモニアを噴射するように構成され、高燃焼性物質噴射弁６ｂがシリンダヘッド２１に配置されて燃焼室２内に向けて高燃焼性物質を噴射するように構成されている。しかしながら、例えば図３に示したように、アンモニア噴射弁６ａ及び高燃焼性物質噴射弁６ｂを共にシリンダヘッド２１に配置して燃焼室２内に向けて液状アンモニア及び高燃焼性物質を噴射するように構成してもよい。或いは、アンモニア噴射弁６ａ及び高燃焼性物質噴射弁６ｂを共に吸気枝管４ａに配置して吸気ポート２３内に向けて液状アンモニア及び高燃焼性物質を噴射するように構成してもよいし、またはアンモニア噴射弁６ａをシリンダヘッド２１に配置して燃焼室２内に向けて高燃焼性物質を噴射するように構成すると共に高燃焼性物質噴射弁６ｂをシリンダヘッド２１に配置して吸気ポート２３内に向けて高燃焼性物質を噴射するように構成してもよい。
また、本実施形態では、内燃機関として、点火装置３によって混合気への点火を行う火花点火式内燃機関が用いられている。しかしながら、内燃機関として、点火装置３を用いない圧縮自着火式内燃機関を用いることも可能である。この場合、アンモニア噴射弁及び高燃焼性物質噴射弁（以下、これらを総称して「燃料噴射弁」という）は液状アンモニア及び高燃焼性物質を燃焼室２内に直接噴射するように構成され、また、点火装置３は設けられない。
また、本実施形態では、アンモニア噴射弁６ａに液体のままアンモニアが供給され、液状アンモニアを噴射している。しかしながら、アンモニア供給管２９に気化器（図示せず）を配置することやアンモニア噴射弁６ａにヒータ等を配置すること等により、アンモニア噴射弁６ａからアンモニアを噴射する前に液状アンモニアを気化させ、アンモニア噴射弁１３ａからガス状アンモニアを噴射するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態では、燃焼室２内にアンモニアに加えて高燃焼性物質を供給することとしている。しかしながら、必ずしも高燃焼性物質を供給する必要はなく、例えば、図４に示したように高燃焼性物質噴射弁６ｂ等を設けずに、燃焼室２内にアンモニアのみを供給するようにしてもよい。
なお、後述する実施形態、実施例及び変形例においては、特に必要な場合を除いて、燃焼室２内に向けて液状アンモニアが噴射されて点火装置３によって混合気への点火が行われる内燃機関であって、燃料として液状アンモニア及び高燃焼性物質を噴射するものについて説明する。しかしながら、後述する実施形態、実施例及び変形例においても、本実施形態と同様に様々な変更が可能である。
ところで、アンモニアは化石燃料に比べて燃焼しづらく、したがって燃料としてアンモニアを用いた場合にはアンモニアを燃焼し易くするためには何らかの工夫が必要となる。このため、上記特許文献１に記載の内燃機関では、アンモニアに加えて、アンモニアの燃焼を補助する高燃焼性物質として水素を燃焼室内に供給することで、アンモニアを用いた場合でも燃焼室内の混合気が容易に燃焼しうるようにしている。
このように、アンモニアに加えて高燃焼性物質を燃焼室内に供給することにより、アンモニアの燃焼を改善することができる。しかしながら、燃焼室内に供給された混合気中にアンモニアが含まれていると、アンモニアの存在により高燃焼性物質の燃焼性の低下を招いてしまう。特に、燃焼室内へのアンモニア供給量が増大すると、或いは燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大すると、高燃焼性物質の燃焼性の低下が大きくなってしまう。このため、燃焼室内へのアンモニア供給量や燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大しても、アンモニアを含む混合気が適切に燃焼するようなアンモニア燃焼内燃機関が必要とされる。
そこで、本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室２内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、燃焼室２に供給されたアンモニア及び高燃焼性物質（以下、これらアンモニア及び高燃焼性物質をまとめて「燃料」という）が燃焼しやすくなるように内燃機関の運転パラメータを制御することとしている。以下では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときに燃焼室２に供給されたアンモニア及び高燃焼性物質が燃焼しやすくなるような内燃機関の運転パラメータの制御の種々の実施例について説明する。
まず、第一実施形態の第一実施例について説明する。一般に、ピストンが圧縮上死点付近にあるときの燃焼室２内の混合気の温度（以下、「圧縮端温度」という）が高いほど、燃焼室５内の混合気は燃焼しやすくなる。また、圧縮端温度を上昇させる方法の一つとして、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を上昇させることが挙げられる。そこで、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときには、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を上昇させることとしている。
図５は、燃焼室２内へのアンモニア供給量と燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度との関係を示している。図５に示したように、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大するにつれて、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度が高いものとされる。このように燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を制御することにより、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときに圧縮端温度を高いものとすることができ、これによりアンモニアの増大に伴う高燃焼性物質の燃焼悪化を抑制することができ、よって混合気の燃焼悪化を抑制することができる。特に、アンモニアのオクタン価は１１０〜１３０と極めて高いことから、アンモニアの増大に伴ってノッキングが発生しにくくなるため、ノッキングを発生させることなく圧縮端温度を高めることができる。
ここで、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を昇温する方法としては、以下の方法が挙げられる。
一つ目の方法としては、内燃機関の吸気通路（例えば、吸気ダクト７、吸気マニホルド４）内に吸気通路内を流れる吸気ガスの温度を昇温するための加熱装置（ヒータ等）を設け、この加熱装置によって吸気ガスの温度を昇温することが挙げられる。この場合、加熱装置による加熱量を適切に制御することによって、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を任意の温度に容易に制御することができる。
二つ目の方法としては、吸気ダクト７に設けられた冷却装置１２をバイパスさせることが挙げられる。すなわち、機関吸気系統に冷却装置１２をバイパスするバイパス管（図示せず）と、このバイパス管及び冷却装置１２に流入する吸気ガスの流量を制御する流量制御弁（図示せず）とを設け、バイパス管に流入する吸気ガスの比率を増大させることにより燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を上昇させることができる。逆に、冷却装置１２に流入する吸気ガスの比率を増大させることにより、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を低下させることができる。この場合、上述したような加熱装置を設ける必要がなく、よって燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を上昇させるにあたって電力等のエネルギを消費してしまうことが抑制される。
三つ目の方法としては、ＥＧＲガスによって燃焼室２内に吸入される吸気ガスにもたらされる熱量を増大させることが上げられる。例えば、本実施形態のように、外部ＥＧＲ機構（ＥＧＲ通路３６、ＥＧＲ制御弁３７、冷却装置３８）を有する内燃機関の場合、外部ＥＧＲ機構に冷却装置３８をバイパスするバイパス管（図示せず）と、このバイパス管及び冷却装置３８に流入するＥＧＲガスの流量を制御する流量制御弁（図示せず）とを設け、バイパス管に流入するＥＧＲガスの比率を増大させることにより燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を上昇させることができる。
或いは、吸気弁２４及び排気弁２６等を制御することにより燃焼室２から排気ポート２５内に排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとして次のサイクルにおいて再び燃焼室２内に供給すること（内部ＥＧＲ）ができ且つ外部ＥＧＲ機構を有する内燃機関の場合、外部ＥＧＲによって燃焼室２内に供給されるＥＧＲガスに対する内部ＥＧＲによって燃焼室２内に供給されるＥＧＲガスの比率を上昇させることにより燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を上昇させることができる。これは、外部ＥＧＲガスよりも内部ＥＧＲガスの温度が高いことによるものである。
更に、図１に示した外部ＥＧＲ機構に加えて、排気浄化装置１４、１６よりも下流側の排気通路と排気ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａよりも上流側の吸気通路とを互いに連通するＥＧＲ通路（図示せず）を備えたＬＰＬ−ＥＧＲ機構を有する内燃機関の場合、図１に示した外部ＥＧＲ機構によって燃焼室２内に供給されるＥＧＲガスに対するＬＰＬ−ＥＧＲ機構によって燃焼室２内に供給されるＥＧＲガスの比率を上昇させることにより、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を上昇させることができる。これは、図１に示した外部ＥＧＲ機構では高温のＥＧＲガスがコンプレッサ８ａによって昇温された空気に供給されるのに対して、ＬＰＬ−ＥＧＲ機構では高温のＥＧＲガスがコンプレッサ８ａによって昇温される前の低温の空気に供給されるため、ＬＰＬ−ＥＧＲ機構によってＥＧＲガスを供給する方が空気の温度上昇率が高いことによるものである。
なお、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を昇温させるにあたり、上記一つ目から三つ目の方法を組み合わせて用いても良い。また、上記実施例では、燃焼室２内へのアンモニアの供給量に応じて加熱装置による加熱量等を連続的に変化させているが、燃焼室２内へのアンモニアの供給量が予め定められた基準供給量以上となった場合に加熱装置による加熱を行い、基準供給量よりも少ない場合には加熱装置による加熱を行わないようにしてもよい。同様に、燃焼室２内へのアンモニアの供給量が予め定められた基準供給量以上となった場合に吸気ガスやＥＧＲガスを全量バイパス管に流入させ、基準供給量よりも少ない場合には全量バイパス管に流入させないようにしてもよい。
図６は、燃焼室２内へのアンモニア供給量に応じた燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度の制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図６に示したフローチャートでは、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を昇温する方法として加熱装置によって吸気ガスの温度を昇温する方法（上記一つ目の方法）を採用した場合を示している。
図６に示したように、まずステップＳ１１では、燃焼室２内へのアンモニア供給量Ｑａ、すなわちアンモニア噴射弁６ａからのアンモニア噴射量と、燃焼室２内に流入する吸気ガスの温度Ｔｉｎとが検出される。吸気ガス温度Ｔｉｎは吸気ポート２３内に設けられた温度センサ（図示せず）によって検出されてもよいし、外気温や排気ターボチャージャ８の回転数等に基づいて推定されてもよい。次いで、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で検出された燃焼室２内へのアンモニア供給量Ｑａに基づいて図５に示したようなマップを用いて目標吸気ガス温度Ｔｉｎｔｇが算出される。なお、図５に示したようなマップは機関運転状態毎（例えば、機関負荷、機関回転数毎）に用意されてもよい。この場合、ステップＳ１２では、アンモニア供給量Ｑａに加えて機関負荷及び機関回転数に基づいて目標吸気ガス温度Ｔｉｎｔｇが算出される。
次いで、ステップＳ１３及びＳ１４では、ステップＳ１１で検出された吸気ガス温度Ｔｉｎが、ステップＳ１２で算出された目標吸気ガス温度Ｔｉｎｔｇとほぼ同一であるか否か、及び目標吸気ガス温度Ｔｉｎｔｇよりも低いか否かが判定され、ほぼ同一であると判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１３及びＳ１４において、吸気ガス温度Ｔｉｎが目標吸気ガス温度Ｔｉｎｔｇよりも低いと判定された場合には加熱装置による加熱量が増大せしめられ、これにより燃焼室５内に供給される吸気ガスの温度が上昇せしめられる。また、ステップＳ１３及びＳ１４において、吸気ガス温度Ｔｉｎが目標吸気ガス温度Ｔｉｎｔｇよりも高いと判定された場合には加熱装置による加熱量が減少せしめられ、これにより燃焼室５内に供給される吸気ガスの温度が低下せしめられる。
次に第一実施形態の第二実施例について説明する。第二実施例のアンモニア燃焼内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な圧縮比変更機構を具備する。この圧縮比変更機構は、図７に示したように、クランクケース６０に対するシリンダブロック２０の相対位置をピストン２２が往復動する方向に変更することができる。図７（Ａ）に示した状態では、クランケース６０に対してシリンダブロック２０が接近するように移動せしめられている。この場合、ピストン２２が圧縮上死点にあるときの燃焼室２の容積は小さい。一方、図７（Ｂ）に示した状態では、クランクケース６０に対してシリンダブロック２０が離れるように移動せしめられている。この場合、ピストン２２が圧縮上死点に有るときの燃焼室２の容積は大きい。一方、ピストン２２が吸気下死点から圧縮上死点までに通過する部分の容積（行程容積）は、クランクケース６０とシリンダブロック２０との相対位置に関わらず一定である。このため、図７（Ａ）に示した状態における機械圧縮比は、図７（Ｂ）に示した状態における機械圧縮比よりも高い。このように圧縮比変更機構では、クランクケース６に対するシリンダブロック２０の相対位置を変化させることにより、機械圧縮比を変化させることができる。なお、図７に示した圧縮比変更機構は一例であり、その他様々な圧縮比変更機構を用いることができる。
また、第二実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、可変バルブタイミング機構により、吸気弁２４の閉弁時期を変更することができ、この吸気弁２４の閉弁時期を変更することによって事実上の圧縮比を変更することができる。すなわち、吸気弁２４の閉弁時期が吸気下死点付近である場合には、吸気弁２４の閉弁時における燃焼室容積に対するピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室容積の比は大きく、逆に吸気弁２４の閉弁時期が吸気下死点から離れた時期である場合には、吸気弁２４の閉弁時における燃焼室容積に対するピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室容積の比は小さい。
ここで、吸気弁２４の閉弁時期における燃焼室容積に対するピストンが圧縮上死点にある時における燃焼室容積を実圧縮比とすると、実圧縮比は機械圧縮比が高いほど且つ吸気弁２４の閉弁時期が吸気下死点に近いほど高くなる。一方、ここで実圧縮比が高いと、燃焼室２内に供給された吸気ガスが圧縮される程度が大きく、よって圧縮端温度も上昇する。そこで、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときには、実圧縮比が大きくなるように可変圧縮比機構及び可変バルブタイミング機構を制御することとしている。
図８は、燃焼室２内へのアンモニア供給量と実圧縮比との関係を示す図である。図８に示したように、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大するにつれて、実圧縮比が高いものとされる。このように実圧縮比を制御することにより、アンモニアの増大に伴う混合気の燃焼悪化を抑制することができる。
図９は、燃焼室２内へのアンモニア供給量に応じた実圧縮比の制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図９に示したように、まずステップＳ２１では、燃焼室２内へのアンモニア供給量Ｑａが検出される。次いで、ステップＳ２２では、ステップＳ２１で検出されたアンモニア供給量Ｑａに基づいて図８に示したようなマップを用いて目標実圧縮比εｔｇが算出される。なお、図８に示したようなマップは、機関運転状態毎（例えば、機関負荷、機関回転数毎）に用意される。次いで、ステップＳ２３では、実圧縮比が目標実圧縮比εｔｇとなるように圧縮比変更機構又は可変バルブタイミング機構が制御される。
次に第一実施形態の第三実施例について説明する。上述したように、圧縮端温度が高いほど、燃焼室５内の混合気は燃焼し易くなる。このような圧縮端温度を上昇させる方法の一つとして、吸気弁２４閉弁時に燃焼室２内に充填されている吸気ガス量（以下、「吸入空気ガス量」という）を増大させることが挙げられる。そこで、本実施形態では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室２内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、吸入吸気ガス量が多くさせることとしている。
図１０は、燃焼室２内へのアンモニア供給量と吸入吸気ガス量との関係を示している。図１０に示したように、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大するにつれて、吸入吸気ガス量が多くせしめられる。このように吸入吸気ガス量を制御することにより、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときに圧縮端温度を高いものとすることができ、これによりアンモニアの増大に伴う混合気の燃焼悪化を抑制することができる。
吸入吸気ガス量を増大させる方法としては、スロットル弁１０の開度を大きくすることに加えて以下の方法が挙げられる。
一つ目の方法としては、排気ターボチャージャ８による過給圧を上げることが挙げられる。排気ターボチャージャ８による過給圧を上げると燃焼室２内に供給される吸気ガスの圧力が高められ、これにより吸入吸気ガス量が増大せしめられる。
二つ目の方法としては、吸気弁２４の閉弁時期を吸気下死点側へ変更することが挙げられる。吸気下死点ではピストン２２が最も下方に位置することになるため、吸気下死点における燃焼室２内の容積は最大となっている。このため、吸気弁２４の閉弁時期を吸気下死点付近にすると、吸気弁２４閉弁時には燃焼室２内に多量の吸気ガスが充填されていることになる。一方、吸気下死点よりも離れた時期では燃焼室２内の容積は吸気下死点における燃焼室２内の容積よりも小さくなっている。このため、吸気弁２４の閉弁時期を吸気下死点から離れた時期にすると、吸入吸気ガスの量が減少せしめられる。
なお、上記一つ目及び二つ目の方法では、吸気弁２４閉弁時に燃焼室２内に充填されている空気量を増大させることで、吸入吸気ガス量を増大させている。このように燃焼室２内に充填される空気量が増大されると燃焼室２内の混合気の空燃比が変化してしまう。そこで、上記一つ目及び二つ目の方法は、内燃機関の通常運転時において混合気の空燃比がリーンとなっている内燃機関に適用するのが好ましい。このような内燃機関としては、圧縮自着火式の内燃機関や成層燃焼を行う火花点火式内燃機関が挙げられる。これら内燃機関では空燃比が多少変動しても、すなわち吸気弁２４閉弁時に燃焼室２内に充填されている空気量が変化しても、大きなトルク変動が生じにくい。
三つ目の方法としては、吸気弁２４閉弁時に燃焼室２内に充填されているＥＧＲガス量を増大させることで、吸入吸気ガス量を増大させることが挙げられる。すなわち、燃焼室２内への空気の充填量が変わることなく、燃焼室２内へのＥＧＲガスの充填量のみが増大するようにスロットル弁１０及びＥＧＲ制御弁３７が制御される。このようにＥＧＲガスの充填量のみを増大させることにより、燃焼室２内に充填される混合気の空燃比をほとんど変えることなく、吸入吸気ガス量を増大させることができる。
なお、吸気弁２４の閉弁時に燃焼室２内に充填されている吸気ガス量を増大させるにあたり、上記一つ目から三つ目の方法を組み合わせて用いても良い。
図１１は、燃焼室２内へのアンモニア供給量に応じた吸入吸気ガス量の制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１１に示したフローチャートでは、吸入吸気ガス量を増大させる方法として過給圧を上昇させる方法を採用した場合を示している。
図１１に示したように、まずステップＳ３１では、燃焼室２内へのアンモニア供給量Ｑａと、現在の吸入吸気ガス量Ｍｃとが検出される。吸入吸気ガス量Ｍｃは、例えば吸入空気量検出器１１の出力に基づいて算出される。次いで、ステップＳ３２では、ステップＳ３１で検出された燃焼室２内へのアンモニア供給量Ｑａに基づいて図１０に示したようなマップを用いて目標吸入吸気ガス量Ｍｃｔｇが算出される。なお、図１０に示したようなマップは機関運転状態毎（例えば機関負荷、機関回転数毎）に用意される。
次いでステップＳ３３、３４では、現在の吸入吸気ガス量Ｍｃと目標吸入吸気ガス量Ｍｃｔｇとの大小関係が判定され、現在の吸入吸気ガス量Ｍｃと目標吸入吸気ガス量Ｍｃｔｇとがほぼ同一であると判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、現在の吸入吸気ガス量Ｍｃが目標吸入吸気ガス量Ｍｃｔｇよりも少ないと判定された場合にはステップＳ３５に進んで過給圧が上昇せしめられ、逆に現在の吸入吸気ガス量Ｍｃが目標吸入吸気ガス量Ｍｃｔｇよりも多いと判定された場合にはステップＳ３６に進んで過給圧が低下せしめられる。
次に第一実施形態の第四実施例について説明する。第四実施例のアンモニア燃焼内燃機関には、図１２に示したようにインパルス過給を行うためのインパルス弁６１が設けられる。本実施例では、インパルス弁６１は、吸気ポート２３内に設けられているが、吸気枝管４ａ内に配置されてもよい。インパルス弁６１は、インパルス過給を行うときには、吸気弁２４の開弁後に開弁される。吸気弁２４が開弁されてからインパルス弁６１が開弁されるまでの間、ピストン２２の下降に伴って燃焼室２内及びインパルス弁６１下流側の吸気ポート２３内には大きな負圧が発生する。その後、ピストン２２が吸気下死点付近にあるときにインパルス弁６１が開弁されると、吸気ポート２３等内に圧力波が生じ、これにより過給効果が得られる。一方、インパルス弁６１は、インパルス過給を行わないときには、全開のまま維持される。
図１３は、吸気弁２４の開弁時期及び閉弁時期並びに機関回転数等を一定とした場合における、インパルス弁６１の開弁時期と燃焼室２内に供給される吸気ガス量との関係を示している。図１３から分かるように、或る一定の時期よりも進角側の領域（図１３中の領域Ａ）では、インパルス弁６１の開弁時期を遅くするほど燃焼室２内に供給される吸気ガス量が増大する。
また、吸気ガス量の増大に伴って、燃焼室２内に発生する吸気ガスの乱れが大きくなる。このように燃焼室２内に発生する吸気ガスの乱れが大きくなるほど、燃焼室２内に供給されたアンモニア及び高燃焼性物質と吸気ガスとの混合及びアンモニアと高燃焼性物質との混合が促進され、よって混合気が燃焼しやすくなる。また、吸気ガスの乱れが大きくなるほど、アンモニア及び高燃焼性物質との境界面積が増大し、よって火炎伝搬速度が上昇することから、熱効率及び燃焼効率が向上する。
そこで、本実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときには、図１３中の領域Ａの範囲内でインパルス弁６１の開弁時期が遅角せしめられる。図１４は、燃焼室２内へのアンモニア供給量とインパルス弁６１の開弁時期との関係を示している。図１４に示したように、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大するにつれて、インパルス弁６１の開弁時期が遅角せしめられる。このようにインパルス弁６１を制御することにより、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときであっても、燃焼室２内に供給される吸気ガス量が増大することによって圧縮端温度を高くすることができると共に吸気ガスの乱れを大きくすることができ、これによりアンモニアの増大に伴う混合気の燃焼悪化を抑制することができる。
図１５は、燃焼室２内へのアンモニア供給量に応じたインパルス弁６１の開弁時期の制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１５に示したように、まずステップＳ４１では、燃焼室２内へのアンモニア供給量Ｑａが検出される。次いで、ステップＳ４２では、ステップＳ４１で検出されたアンモニア供給量Ｑａに基づいて図１４に示したようなマップを用いてインパルス弁６１の目標開弁時期Ｔｍｉｎｏｐが算出される。なお、図１４に示したようなマップは、機関運転状態毎（例えば、機関負荷、機関回転数毎）に用意される。次いで、ステップＳ４３では、目標開弁時期Ｔｍｉｎｏｐにインパルス弁６１が開弁するようにインパルス弁６１が制御される。
次に第一実施形態の第五実施例について説明する。ところで、ＥＧＲガスは不活性なガスであるため、燃焼室２内に供給された吸気ガス中のＥＧＲガスの割合（すなわち、ＥＧＲ率）が少なくなると、混合気は燃焼し易くなる。また、ＥＧＲガスに比べて空気の方が比熱比が高いことから、燃焼室２内に供給された吸気ガスの温度及び圧縮比が同一であれば、燃焼室２内に供給されたＥＧＲガスが少ないほど圧縮端温度が高くなる。上述したように、圧縮端温度が高いほど燃焼室２内の混合気は燃焼し易くなるため、斯かる観点からも燃焼室２内に供給された吸気ガス中のＥＧＲガスの割合が少なくなると、混合気は燃焼し易くなる。
そこで、本実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときには、ＥＧＲ率が減少するようにスロットル弁１０及びＥＧＲ制御弁３７を制御することとしている。
図１６は、燃焼室２内へのアンモニア供給量とＥＧＲ率との関係を示している。図１６に示したように、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大するにつれて、ＥＧＲ率が小さくされる。このようにＥＧＲ率を制御することにより、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときであっても、アンモニアの増大に伴う混合気の燃焼悪化を抑制することができる。
図１７は、燃焼室２内へのアンモニア供給量に応じたＥＧＲ率の制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１７に示したように、まずステップＳ５１では、燃焼室２内へのアンモニア供給量Ｑａと現在のＥＧＲ率Ｒｅｇｒが検出される。現在のＥＧＲ率Ｒｅｇｒは例えば機関回転数、スロットル弁１０の開度及びＥＧＲ制御弁３７の開度等に基づいて算出される。次いで、ステップＳ５２では、燃焼室２内へのアンモニア供給量Ｑａに基づいて図１６に示したようなマップを用いて目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔｇが算出される。なお、図１６に示したようなマップは機関運転状態毎（例えば、機関負荷、機関回転数毎）に用意される。
次いで、ステップＳ５３及びＳ５４では、ステップＳ５１で検出された現在のＥＧＲ率Ｒｅｇｒが目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔｇとほぼ同一であるか否か、及び目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔｇよりも低いか否かが判定され、ほぼ同一であると判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ５３及びＳ５４において、現在のＥＧＲ率Ｒｅｇｒが目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔｇよりも低いと判定された場合には、ステップＳ５５に進んでＥＧＲ率が増大するようにスロットル弁１０の開度及びＥＧＲ制御弁３７の開度が制御される。一方、ステップＳ５３及びＳ５４において、現在のＥＧＲ率Ｒｅｇｒが目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔｇよりも高いと判定された場合には、ステップＳ５６に進んでＥＧＲ率が減少するようにスロットル弁１０の開度及びＥＧＲ制御弁３７の開度が制御される。
次に、第一実施形態の第六実施例について説明する。第六実施例におけるアンモニア燃焼内燃機関には、図１８に示したように、各気筒に連通する二つの吸気枝管４ａのうち一方の吸気枝管内にスワール制御弁６２が設けられる。スワール制御弁６２はその開度に応じて燃焼室２内にスワール（混合気の乱れ）を発生させる。すなわち、スワール制御弁６２が全閉にされると燃焼室２内には大きなスワールが発生し、スワール制御弁６２の開度を小さくするのに伴って燃焼室２内に発生するスワールが小さくなり、スワール制御弁６２が全開にされると燃焼室２内にはほとんどスワールが発生しない。上述したように、燃焼室２内に供給されたスワールが大きくなるほど、混合気が燃焼し易くなると共に熱効率及び燃焼効率が向上する。
そこで、本実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときには、スワール制御弁６２の開度を小さくし、燃焼室２内に生じる混合気の乱れ（スワール）を大きくすることとしている。
図１９は、燃焼室２内へのアンモニア供給量とスワール制御弁６２の開度との関係を示している。図１９に示したように、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大するにつれて、スワール制御弁６２の開度が小さくされ、よって燃焼室２内に供給された混合気の乱れ（スワール）が大きくされる。このように、燃焼室２内に供給される混合気の乱れを制御することにより、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときであっても、アンモニアの増大に伴う混合気の燃焼悪化を抑制することができる。
なお、上記実施例では、燃焼室２内に供給された混合気に乱れを生成する方法としてスワール制御弁６２を用いているが、燃焼室内の気流の乱れを制御することができれば、燃焼室２内に供給された混合気にタンブルを発生させるタンブル制御弁等、他の気流制御装置を用いてもよい。したがって、これらをまとめて表現すると、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室２内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、燃焼室２内の混合気に生じる気流の乱れが大きくなるように気流制御装置を制御していると言える。
次に第一実施形態の第七実施例について説明する。ところで、上述したように高燃焼性物質としてはアンモニアよりも燃焼しやすい物質が用いられることから、燃焼室２内への高燃焼性物質の供給量を増加させれば、混合気の燃焼性を改善することができる。そこで、第七実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときには、これに合わせて燃焼室２内への高燃焼性物質の供給量も増大させることとしている。これにより、アンモニア供給量の増大による混合気の燃焼性悪化を抑制することができる。
また、混合気の燃焼時にはアンモニアよりも高燃焼性物質が先に着火し、これを着火源としてアンモニアが燃焼することになる。このため、高燃焼性物質の供給量を増大させることで、着火源のエネルギを増大させることができ、これによりアンモニアの燃焼効率が向上せしめられると共に燃焼期間が短縮されることにより熱効率が向上せしめられる。
また、本実施例では、内燃機関として圧縮自着火式内燃機関を用いている場合に、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときには、高燃焼性物質噴射弁６ｂからの高燃焼性物質の噴射圧力を高めることとしている。このように高燃焼性物質噴射弁６ｂからの高燃焼性物質の噴射圧力を高めると、噴射率が高められると共に貫徹力が高められる。高燃焼性物質の噴射率が高められると、短時間に多量の高燃焼性物質の噴射が行われることから短時間で燃焼室２内に高燃焼性物質の燃焼が広がり、これにより瞬間的な着火源のエネルギを大きなものとすることができ、よってアンモニアの燃焼が促進せしめられる。また、貫徹力が高められると、高燃焼性物質が燃焼室２内に広く分布することになり、よって着火源が燃焼室２内に分散することになるため、これによってもアンモニアの燃焼が促進せしめられる。
図２０は、燃焼室２内へのアンモニア供給量と高燃焼性物質の供給量及び高燃焼性物質の噴射圧力との関係を示す図である。図２０（Ａ）に示したように、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大するにつれて、燃焼室２内への高燃焼性物質の供給量が増大せしめられる。また、図２０（Ｂ）に示したように、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大するにつれて、高燃焼性物質噴射弁６ｂからの高燃焼性物質の噴射圧力が上昇せしめられる。このように高燃焼性物質の供給量及び噴射圧力を制御することにより、アンモニアの増大に伴う混合気の燃焼性悪化を抑制することができる。
図２１は、燃焼室２内へのアンモニア供給量に応じた高燃焼性物質噴射弁６ｂからの噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図２１に示したように、まずステップＳ６１では、機関運転状態（機関負荷、機関回転数等）燃焼室２内への基本燃料供給量Ｑｆが算出される。この基本燃料供給量Ｑｆは、燃焼室２内にアンモニアのみを供給するとした場合における燃料供給量であり、機関運転状態に応じて定まるものである。次いで、ステップＳ６２では、基本燃料供給量Ｑｆに基づいて図２０（Ａ）に示したようなマップ（図２０（Ａ）のマップのアンモニア供給量を基本燃料供給量に変えたもの）を用いて燃焼室２内への高燃焼性物質の目標供給量Ｑｂｔｇが算出される。
次いで、ステップＳ６３では、基本燃料供給量Ｑｆから高燃焼性物質の目標供給量Ｑｂｔｇにアンモニアと高燃焼性物質との発熱量比Ｒｈを乗算した値を減算してアンモニアの目標供給量Ｑａが算出される（Ｑａ＝Ｑｆ−Ｑｂｔｇ・Ｒｈ）。次いで、ステップＳ６４では、燃焼室２内へのアンモニア供給量Ｑａに基づいて図２０（Ｂ）に示したようなマップを用いて高燃焼性物質噴射弁６ｂの目標噴射圧力Ｐｂｔｇが算出される。次いで、ステップＳ６５では、高燃焼性物質の供給量が目標供給量Ｑｂｔｇになるように高燃焼性物質噴射弁６ｂが制御されると共に、高燃焼性物質噴射弁６ｂからの噴射圧力が目標噴射圧力Ｐｂｔｇになるように高燃焼性物質供給ポンプ３５が制御される。
次に第一実施形態の第八実施例について説明する。ところで、高燃焼性物質を供給することにより混合気への着火は適切に行われるが、一旦混合気に着火しても燃焼性の低いアンモニアの存在により燃焼が燃焼室２内全体に適切に広がらない場合がある。このような傾向は、混合気の空燃比のリーン度合いが高いほど強い。これは、混合気の空燃比のリーン度合いが高くなると、燃焼室２内には燃焼に寄与しない過剰な空気が多くなり、これにより燃焼室２内の混合気の温度が上昇しにくくなるためである。
そこで、本実施例では、通常時にリーン空燃比で運転が行われるアンモニア燃焼内燃機関において、アンモニアの供給量に関わらず高燃焼性物質の供給等によって混合気の着火が確実であるような運転領域では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときには、燃焼室２内に供給される混合気の空燃比が理論空燃比に近づくように、燃焼室２内に供給される空気量を制御することとしている。
図２２は、燃焼室２内へのアンモニア供給量と燃焼室２内に供給される吸気ガスの減量補正量との関係を示す図である。図２２に示したように、本実施例では、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大するにつれて、吸気ガスの減量補正量が増大せしめられ、よって燃焼室２内に供給される吸気ガス量が減少せしめられる。その結果、燃焼室２内に供給される混合気の空燃比が理論空燃比に近づけられる。これにより、混合気への着火後に混合気の温度が上昇し易くなり、よって燃焼が燃焼室全体に広がりやすくなる。
なお、本実施例では、吸気ガスの減量補正量は機関回転数が高いほど大きくされる。したがって、機関回転数が低いときには図２２に実線で示したように吸気ガスの減量補正量が設定される場合、機関回転数が高いときには図２２に破線で示したように吸気ガスの減量補正量が設定されることになる。一般に機関回転数が高いと混合気の燃焼を短時間で行う必要があるが、このように機関回転数が高いほど吸気ガスの減量補正量を大きくすることで、機関回転数が高いときに燃焼期間を短くすることができる。
同様に、本実施例では、吸気ガスの減量補正量は、機関負荷が低いほど、吸気ガスの温度が低いほど、且つ機関冷却水温が低いほど大きくされる。一般に機関負荷が低いと燃焼速度が低下し易いが、機関負荷が低いほど吸気ガスの減量補正量を大きくすることで、機関負荷が低いときにも燃焼速度を高くすることができる。また、吸気ガスの温度や機関冷却水の温度が低いときにも燃焼速度が低下し易いが、機関負荷が低いほど吸気ガスの減量補正量を大きくすることで、吸気ガスの温度や機関冷却水の温度が低いときにも燃焼速度を高くすることができる。
図２３は、燃焼室２内へのアンモニア供給量に応じた空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図２３に示したように、まずステップＳ７１では、アンモニア供給量Ｑａ、機関回転数Ｎｅ、機関負荷Ｌ、吸入空気温度Ｔａｉｒ、機関冷却水温Ｔｗが検出される。次いで、ステップＳ７２では、機関回転数Ｎｅ、機関負荷Ｌ等に基づいてアンモニア供給量Ｑａを考慮していない基本吸入空気量Ｍｃｂａｓｅが算出される。次いで、ステップＳ７３では、アンモニア供給量Ｑａに加えて、機関回転数Ｎｅ、機関負荷Ｌ、吸入空気温度Ｔａｉｒ及び機関冷却水温Ｔｗに基づいて図２２に示したようなマップを用いて減量補正量ΔＭｃが算出される。次いで、ステップＳ７４では、基本吸入空気量Ｍｃｂａｓｅから減量補正量ΔＭｃを減算して目標吸入空気量Ｍｃｔｇが算出される（Ｍｃｔｇ＝Ｍｃｂａｓｅ−ΔＭｃ）。
次いで、ステップＳ７５では、アンモニア供給量Ｑａ及び高燃焼性物質の供給量に基づいて混合気の空燃比を理論空燃比にするのに必要な吸入空気量Ｍｃｓｔが算出される。次いで、ステップＳ７６では、目標吸入空気量ＭｃｔｇがＭｃｓｔ以上であるか否かが判定される。ＭｃｔｇがＭｃｓｔ以上であると判定された場合、すなわち混合気の空燃比が理論空燃比又はリーンとなる場合には、ステップＳ７７へと進む。一方、ＭｃｔｇがＭｃｓｔよりも少ないと判定された場合、すなわち混合気の空燃比がリッチとなる場合には、ステップＳ７８へと進む。ステップＳ７８では、目標吸入空気量ＭｃｔｇがＭｃｓｔとされ、ステップＳ７７へと進む。ステップＳ７７では、目標吸入空気量Ｍｃｔｇとなるようにスロットル弁１０の開度等が制御される。
次に、本発明の第二実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成は基本的に第一実施形態のアンモニア燃焼内機関の構成と同様である。しかしながら、本実施形態では、第一実施形態とは異なり、アンモニア及び高燃焼性物質の噴射形態を適切に制御することにより、アンモニアの存在による高燃焼性物質の燃焼性の低下を抑制し、アンモニアを含む混合気が適切に燃焼するようにしている。以下では、アンモニア及び高燃焼性物質の噴射形態の制御の種々の例について説明する。
まず、第二実施形態の第一実施例について説明する。第一実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は圧縮自着火式であり、またアンモニア噴射弁６ａ及び高燃焼性物質噴射弁６ｂは共にアンモニア及び高燃焼性物質を燃焼室２内に直接噴射するように構成される。そして、第一実施例では、図２４に示したように、圧縮上死点付近においてまず高燃焼性物質噴射弁６ｂから高燃焼性物質を燃焼室２内に噴射すると共に、その後、既に噴射された高燃焼性物質が自着火した後にアンモニア噴射弁６ａからアンモニアを燃焼室２内に噴射することとしている。
このように高燃焼性物質を燃焼室２内に最初に噴射することにより、最初に高燃焼性物質が着火せしめられる。このとき、燃焼室２内にはアンモニアが噴射されていない。アンモニアは気化潜熱が高いため、アンモニアの噴射を行うと燃焼室２内の混合気の温度が低下してしまうが、最初に高燃焼性物質のみを噴射した場合にはアンモニアの気化に伴う混合気の温度の低下は生じておらず、よって高燃焼性物質は自着火し易い。また、上述したようにアンモニアが多量に存在すると高燃焼性物質の燃焼性、着火性を悪化させるが、最初に高燃焼性物質のみを噴射した場合には高燃焼性物質噴射時には燃焼室２内にアンモニアが存在しておらず、よって高燃焼性物質は自着火し易い。これにより高燃焼性物質の自着火を促進させることができる。
その後、アンモニア噴射弁６ａからアンモニアが噴射されると、燃焼室２内では高燃焼性物質が既に自着火しているため、アンモニアはこれを着火源として容易に燃焼せしめられる。このように本実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、高燃焼性物質を確実に自着火させると共に、アンモニアを確実に燃焼させることができる。
なお、本実施例では、アンモニアの噴射を、例えば燃焼室２内の圧力を検出する圧力センサ（図示せず）等により燃焼室２内において高燃焼性物質が自着火したことが検出された後に行うようにしている。或いは、高燃焼性物質の着火遅れ期間を予め実験等により算出し、高燃焼性物質が噴射されてからこの着火遅れ期間に相当する遅延期間の経過後にアンモニアの噴射を行うようにしてもよい。
次に、第二実施形態の第二実施例について説明する。第二実施例でも、アンモニア燃焼内燃機関は圧縮自着火式であり、またアンモニア噴射弁６ａ及び高燃焼性物質噴射弁６ｂはそれぞれアンモニア及び高燃焼性物質を燃焼室２内に直接噴射するように構成される。
ところで、一般に圧縮自着火式の内燃機関では、着火遅れ期間や予混合燃焼期間等を考慮して、燃料の燃焼によって得られる出力が最大になるように圧縮上死点よりも或る程度早い時期に燃料噴射が開始される。しかしながら、化石燃料等の燃焼性の高い燃料を用いた場合には燃焼室内の吸気ガスの温度が高温に到達する前の或る程度早い時期に燃料噴射を開始しても混合気は自着火するが、燃焼性の低いアンモニアを用いた場合には圧縮上死点よりも或る程度早い時期に燃料噴射を開始すると燃焼室内の混合気の温度が自着火温度を下回っている場合があり、この場合、混合気を良好に自着火させることができない。
そこで、第二実施例では、燃焼室２内の吸気ガスの温度が自着火温度に到達する時期を推定し、燃焼室２内の吸気ガスの温度が自着火温度に到達する時期よりも遅い時期にアンモニア噴射弁６ａからのアンモニアの噴射を行うこととしている。これにより、アンモニアを確実に自着火させることができるようになる。
図２５は、アンモニア噴射弁６ａからのアンモニアの噴射時期制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図２５に示したように、まずステップＳ８１では、機関負荷、機関回転数等に基づいて基本アンモニア噴射時期Ｔｍｂａｓｅが算出される。この基本アンモニア噴射時期は、吸気ガスの自着火温度を考慮せずに、着火遅れ期間や予混合燃焼期間等を考慮して機関出力、燃費、排気エミッションが最適になるように設定される。次いで、ステップＳ８２では、燃焼室２内の吸気ガスの温度が自着火温度に到達する時期（自着火可能噴射時期）Ｔｍｉｇが算出される。この自着火可能噴射時期Ｔｍｉｇは、例えば、燃焼室２内に供給される吸気ガスの量、温度及び組成、燃焼室２の壁温並びに実圧縮比等を検出又は算出し、これらパラメータの値に基づいて算出される。
次いで、ステップＳ８３では、基本アンモニア噴射時期Ｔｍｂａｓｅが自着火可能噴射時期Ｔｍｉｇ以降であるか否かが判定される。基本アンモニア噴射時期Ｔｍｂａｓｅが自着火可能噴射時期Ｔｍｉｇ以降である場合には、ステップＳ８４に進んでアンモニア噴射弁６ａからのアンモニア噴射時期が基本アンモニア噴射時期Ｔｍｂａｓｅとされる。一方、基本アンモニア噴射時期Ｔｍｂａｓｅが自着火可能噴射時期Ｔｍｉｇよりも先である場合には、ステップＳ８５に進んでアンモニア噴射弁６ａからのアンモニア噴射時期が自着火可能噴射時期Ｔｍｉｇとされる。
次に、第二実施形態の第三実施例について説明する。第三実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は火花点火式であり、またアンモニア噴射弁６ａはアンモニアを燃焼室２内に直接噴射するように構成される。
ところで、燃焼室２内に液状のアンモニアを噴射すると、噴射されたアンモニアは気化潜熱を奪って気化する。このとき、燃焼室２内の吸気ガスの温度が燃焼室２の壁面温度（シリンダの壁面温度）よりも高い場合には、アンモニアの気化潜熱により燃焼室２内の吸気ガスの温度が低下しても、燃焼室２の壁面から吸気ガスへは熱が移動しない。これに対して、燃焼室２内の吸気ガスの温度が燃焼室２の壁面温度よりも低い場合には、アンモニアの気化潜熱により燃焼室２内の吸気ガスの温度が低下すると、燃焼室２の壁面から吸気ガスへの熱移動が促進される。このため、アンモニアの噴射に伴う燃焼室２内の吸気ガスの温度低下を抑制することができる。
そこで、第三実施例では、均質燃焼を行う際には、アンモニア噴射弁６ａからのアンモニアの噴射時期を、燃焼室２内に供給された吸気ガスの温度がピストン２２の上昇に伴って燃焼室２の壁面温度と等しくなる時期よりも早い時期、例えば吸気行程中か圧縮行程前半としている。この噴射時期は、予め定められた一定時期としてもよいし、機関運転状態に応じて変化するように設定してもよい。
次に、第二実施形態の第四実施例について説明する。第四実施例でも、アンモニア燃焼内燃機関は火花点火式であり、またアンモニア噴射弁６ａはアンモニアを燃焼室２内に直接噴射するように構成される。
ところで、一般に火花点火式内燃機関において均質燃焼を行う場合には、予め空気と燃料とを混合させる必要があるため、図２６（Ａ）に示したように、燃料噴射弁からの燃料噴射は吸気行程中か或いは圧縮行程前半に行われる。ここで、燃料を燃焼室２内に直接噴射すると、高圧で噴射される燃料により燃焼室２内には混合気の乱れが生じる。しかしながら、燃料噴射弁からの燃料噴射を吸気行程中か或いは圧縮行程前半に行うと、点火装置３によって混合気への点火が行われるときには燃焼室２内に生じていた混合気の乱れが収束してしまう。このため、燃料噴射弁からの燃料噴射を吸気行程中か或いは圧縮行程前半に行うと、燃焼室２内の混合気の乱れに伴う燃焼速度向上の効果を得ることができない。
燃料として化石燃料等の燃焼性の高い燃料を用いた場合であれば、燃焼室２内の混合気の乱れに伴う燃焼速度向上の効果を得ることができなくても十分な燃焼速度を得ることができた。しかしながら、燃料中に燃焼性の低いアンモニアが含まれる場合には、燃焼室２内の混合気の乱れが収束していると、良好な混合気の燃焼を行うのに十分な燃焼速度を得られない場合がある。
そこで、本第四実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、均質燃焼を行う際に、図２６（Ｂ）に示したように、吸気行程中又は圧縮行程前半に主噴射としてアンモニア噴射弁６ａからアンモニアを噴射すると共に、点火時期直前に副噴射として主噴射よりも少量のアンモニアをアンモニア噴射弁６ａから噴射することとしている。これにより、吸気行程中又は圧縮行程前半に主噴射が行われることによってアンモニアと吸気ガスとの均質性を保つことができると共に、点火時期直前に副噴射が行われることによって点火時期においても燃焼室２内の混合気に大きな乱れを生成することができ、良好な混合気の燃焼を行うのに十分な燃焼速度を得ることができる。
なお、上記第四実施例では、副噴射としてアンモニア噴射弁６ａからのアンモニアの噴射を行っているが、燃焼室２内に高燃焼性物質を直接噴射するように高燃焼性物質噴射弁６ｂを配置すると共に、副噴射として高燃焼性物質噴射弁６ａからの高燃焼性物質の噴射を行うようにしてもよい。また、この場合、吸気ポート２３内にアンモニアを噴射するようにアンモニア噴射弁６ｂを配置して、主噴射として吸気ポート２３内にアンモニアを噴射するようにしてもよい。したがって、これらをまとめて表現すると、本第三実施例では、燃料噴射弁は、この燃料噴射弁又は別の燃料噴射弁によって圧縮行程前半以前に燃料を噴射する主噴射に加えて、圧縮行程後半であって点火装置による点火前に主噴射よりも少量のアンモニア又は高燃焼性物質を噴射する副噴射を行うように構成されていると言える。
次に、第二実施形態の第五実施例について説明する。第五実施例でも、アンモニア燃焼内燃機関は火花点火式であり、またアンモニア噴射弁６ａはアンモニアを燃焼室２内に直接噴射するように構成される。特に、本実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、図２７に示したように、アンモニア噴射弁６ａは、ピストン２２が比較的上死点の近くにあるときにアンモニア噴射弁６ａから噴射したアンモニアの噴霧がピストン２２の上面（図示した例では、キャビティ２７内）に衝突するように配置される。このように構成されたアンモニア燃焼内燃機関では、アンモニア噴射弁６ａからのアンモニア噴射時期を臨界時期よりも吸気上死点側の時期とするとアンモニアの噴霧のほとんどがピストン２２の上面に衝突すると共に、アンモニア噴射弁６ａからのアンモニア噴射時期を臨界時期よりも吸気下死点側の時期とするとアンモニアの噴霧のほとんどがピストン２２の上面に衝突しなくなる。
ところで、上述したようにアンモニアは気化潜熱が非常に高いことから、アンモニアを燃焼室２内に噴射すると燃焼室２内の混合気の温度の低下を招く。一方、一般にピストン２２は前回の燃焼室２内での混合気の燃焼により熱を受け、よって吸気行程中や圧縮行程中でも燃焼室２内に流入する吸気ガスに比べて比較的高い温度となっている。ここで、アンモニア噴射弁６ａから噴射されたアンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させると、ピストン２２の上面に衝突したアンモニアは主にピストン２２から熱を受けて気化することになる。そこで、本第五実施例では、基本的に、アンモニア噴射弁６ａからのアンモニア噴射時期を臨界時期よりも吸気上死点側の時期として、アンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させることとしている。これにより、アンモニアの気化に伴う混合気の温度低下を抑制することができ、よってアンモニアを含む混合気を適切に燃焼させることができるようになる。
ただし、例えば機関冷間始動時等、ピストン２２の温度が低いときにアンモニアの噴霧をピストン２２に衝突させると、ピストン２２に衝突したアンモニアが気化せずにピストン２２に付着したままとなり、燃焼しない場合がある。そこで、本第五実施例では、ピストン２２の温度を検出又は推定すると共に、検出又は推定されたピストンの温度が予め定められた最低基準温度よりも低い場合には、アンモニア噴射弁６ａからのアンモニア噴射時期を臨界時期よりも吸気下死点側の時期としてアンモニアの噴霧のほとんどがピストン２２の上面に衝突しないようにし、検出又は推定されたピストン２２の温度が予め定められた最低基準温度以上である場合に、アンモニア噴射弁６ａからのアンモニア噴射時期を臨界時期よりも吸気上死点側の時期として、アンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させることとしている。
図２８は、アンモニア噴射弁６ａからのアンモニア噴射時期制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図２８に示したように、まずステップＳ９１では、機関冷却水温及び複数サイクル間におけるアンモニア及び高燃焼性物質の噴射量の積算値等に基づいて、ピストン２２の温度Ｔｐｓが推定される。次いで、ステップＳ９２では、ピストン２２の温度Ｔｐｓが最低基準温度Ｔｐｓｒｅｆ以上であるか否かが判定され、最低基準温度以上であると判定された場合にはステップＳ９３に進んで、アンモニアの噴霧のほとんどがピストン２２の上面に衝突するようにアンモニアの噴射時期が臨界時期よりも進角側の時期に設定される。一方、ステップＳ９２において、ピストン２２の温度Ｔｐｓが最低基準温度Ｔｐｓｒｅｆよりも低いと判定された場合には、ステップＳ９４に進んで、アンモニアの噴霧のほとんどがピストン２２の上面に衝突するようにアンモニアの噴射時期が臨界時期よりも遅角側の時期に設定される。
なお、上記第五実施例では、最低基準温度は予め定められた一定の温度とされているが、例えばアンモニア噴射量等に変化するように設定されてもよい。この場合、アンモニア噴射量が多くなるほど、最低基準温度が高くせしめられる。また、上記実施形態では、アンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させることとしているが、高燃焼性物質の噴霧をピストン２２の上面に衝突させるようにしてもよい。通常、高燃焼性物質は液状で噴射されると共に気化するにあたって周囲雰囲気から気化潜熱を奪うことから、高燃焼性物質をピストン２２の上面に衝突させることによっても燃焼室２内の混合気の温度低下を抑制することができる。
次に、上記第二実施形態の第五実施例の変形例について説明する。上記第五実施例では、ピストン２２の温度が最低基準温度以上であることを条件としてアンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させているが、本変形例では、これとは異なる条件で、特にピストン２２からアンモニアへの熱移動が必要とされる条件で、アンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させることとしている。
具体的には、本変形例では、機関負荷が低い場合や外気温度が低い場合等、燃焼室２内の吸気ガスの温度が上昇しにくい場合にアンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させることとしている。
また、外部ＥＧＲ機構を用いている場合にＥＧＲガスを減少させる方向に過渡状態にあるときにもアンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させることとしている。すなわち、ＥＧＲ制御弁３７を駆動してから実際に燃焼室２内に供給される吸気ガス中のＥＧＲ率が変化するまでには遅れが生じる。このため燃焼室２内に供給されるＥＧＲガスを減少させる場合、ＥＧＲ制御弁３７の開度を小さくしているにも関わらず、燃焼室２内に供給されるＥＧＲガス量が減少していないときがある。この場合、実際に燃焼室２内に供給されるＥＧＲガス量が目標ＥＧＲガス量よりも多くなり、よって混合気の燃焼性の悪化を招くことになる。そこで、本変形例では、ＥＧＲガスを減少させる方向に過渡状態にあるときにはアンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させることとしている。
さらに、本変形例では、機関負荷が高く且つ機関回転数が高い場合にもアンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させることとしている。すなわち、一般に、機関高負荷・高回転運転領域では、ピストン２２の過昇温を防止するため、ピストン２２冷却用に潤滑油がピストン２２に向かって噴射されている。しかしながら、本変形例では、機関高負荷・高回転運転領域においてアンモニアの噴霧がピストン２２の上面に衝突せしめられるため、アンモニアが気化熱をピストン２２から奪い、よってピストン２２の温度上昇を抑制することができる。このため、ピストン２２冷却用に潤滑油をピストン２２に向かって噴射するオイルジェットシステムが不要になる。
図２９は、アンモニア噴射弁６からのアンモニア噴射時期制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図２９に示したように、まずステップＳ１０１では、機関負荷Ｌ、機関回転数Ｎｅ、外気温Ｔｏｕｔが検出されると共に、ＥＧＲガスを減少させる方向に過渡状態にあるか否かが検出される。
次いで、ステップＳ１０２〜１０５では、機関負荷Ｌが予め定められた最低基準負荷Ｌｌａｗよりも大きいか否か、外気温Ｔｏｕｔが最低基準外気温Ｔｏｕｔｌｏｗよりも高いか否か、機関運転状態がＥＧＲガスを減少させる方向に過渡状態にあるか否か、機関負荷Ｌが最高基準負荷Ｌｈｉｇｈよりも小さく且つ機関回転数Ｎｅが最高基準回転数Ｎｅｈｉｇｈよりも小さいか否かが判定される。これらステップＳ１０２〜Ｓ１０５において、機関負荷が予め定められた最低基準負荷Ｌｌａｗよりも大きく、外気温Ｔｏｕｔが最低基準外気温Ｔｏｕｔｌｏｗよりも高く、機関運転状態がＥＧＲガスを減少させる方向に過渡状態になく、且つ機関負荷Ｌが最高基準負荷Ｌｈｉｇｈ以上であるか或いは機関回転数Ｎｅが最高基準回転数Ｎｅｈｉｇｈ以上であると判定された場合には、ステップＳ１０６へと進み、アンモニア噴射弁６ａからの噴射時期が臨界時期よりも遅角側に設定され、よってアンモニアの噴霧はピストン２２の上面には衝突せしめられない。一方、これ以外の場合には、ステップＳ１０７へと進み、アンモニア噴射弁６ａからの噴射時期が臨界時期よりも進角側に設定され、アンモニアの噴霧がピストン２２の上面に衝突せしめられる。
なお、上記変形例に第五実施例を組み合わせて、上記変形例における条件に加えて、ピストン２２の温度が最低基準温度以上であることを条件としてアンモニアの噴霧をピストン２２の上面に衝突させようにしてもよい。
次に、第二実施形態の第六実施例について説明する。本第六実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、同一のアンモニア噴射弁６ａから噴射されるアンモニアを液体と気体との間で切り替えることができる。すなわち、アンモニア供給ポンプ３１によってアンモニアの圧力をアンモニア蒸気圧以上にまで加圧すると、ガス状のアンモニアがアンモニア噴射弁６ａに供給され、よってアンモニア噴射弁６ａからはガス状のアンモニアが噴射される。一方、アンモニア供給ポンプ３１によってアンモニアの圧力をアンモニア蒸気圧よりも低い圧力までしか加圧しないと、液状のアンモニアがアンモニア噴射弁６ａに供給され、よってアンモニア噴射弁６ａからは液状のアンモニアが噴射される。
ところで、内燃機関の始動時又は冷間時には、燃焼室２に供給される吸気ガスの温度が低いため、液状のアンモニアを燃焼室２内に供給してアンモニアの気化潜熱により吸気ガスの熱が奪われると、圧縮端温度が十分に上昇しない場合がある。また、燃焼室２の壁面に付着した液状のアンモニアが気化せず、よって燃焼しない場合がある。このため、内燃機関の始動時又は冷間時に液体のアンモニアを燃焼室２内に供給すると混合気の燃焼が悪化する場合がある。このため、内燃機関の冷間時には、燃焼室２内にはガス状のアンモニアを供給することが好ましい。
一方、内燃機関の暖機完了後は、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度も高く、よって液状のアンモニアを燃焼室２内に供給しても、圧縮端温度は十分に上昇する。また、燃焼室２の壁面温度も十分に高く、よって燃焼室２の壁面に付着した液状のアンモニアも気化しやすいため、燃焼室２の壁面にアンモニアが付着しても混合気の燃焼はほとんど悪化しない。むしろ、内燃機関の暖機完了後にはアンモニアを液体状態で供給することにより、アンモニアを燃焼室２内に多量に供給することができ、よって内燃機関の出力を高めることができるようになる。
そこで、本第六実施例では、内燃機関の始動時又は冷間時には、アンモニア噴射弁６に供給するアンモニアの圧力をアンモニア蒸気圧よりも低い圧力にまでしか加圧せず、これにより燃焼室２内にガス状のアンモニアを供給すると共に、内燃機関の暖機完了後にはアンモニア噴射弁６に供給するアンモニアの圧力をアンモニア蒸気圧以上にまで加圧し、これにより燃焼室２内に液状のアンモニアを供給することとしている。これにより、内燃機関の暖機状態に応じて適切な状態でアンモニアを燃焼室２内に供給することができ、混合気を良好に燃焼しつつ高い出力を得ることができる。特に、本第六実施例では、アンモニア供給ポンプ３１の出力を変更するだけでアンモニアの噴射を液体状態と気体状態との間で切り替えているため、低いコストで噴射状態の切替を行うことができる。
図３０は、アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの燃圧制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図３０に示したように、まずステップＳ１１１では、例えばアンモニア供給管２９に取り付けられた温度センサ（図示せず）によってアンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの温度Ｔａが検出され、また機関冷却水温Ｔｗが検出される。次いで、ステップＳ１１２では、アンモニアの温度とアンモニア蒸気圧Ｐｖａｍとの関係を示すマップを用いて、ステップＳ１１１で検出されたアンモニアの温度Ｔａに基づいてアンモニア蒸気圧Ｐｖａｍが算出される。
次いで、ステップＳ１１３では、機関冷却水温Ｔｗが予め定められた基準温度Ｔｗｒｅｆよりも低いか否か、すなわち内燃機関が冷間状態にあるか否かが判定される。機関冷却水温Ｔｗが予め定められた基準温度Ｔｗｒｅｆよりも低いと判定された場合、すなわち内燃機関が冷間状態にあると判定された場合には、ステップＳ１１４へと進む。ステップＳ１１４では、アンモニア供給ポンプ３１によって加圧されるアンモニアの目標燃圧Ｐｔｇがアンモニア蒸気圧Ｐｖａｍよりも低い値、特に本第六実施例ではアンモニア蒸気圧Ｐｖａｍから所定値ΔＰを減算した値に設定される。これにより、アンモニア噴射弁６ａからはガス状のアンモニアが供給されることになる。
一方、ステップＳ１１３において、機関冷却水温Ｔｗが予め定められた基準温度Ｔｗｒｅｆ以上であると判定された場合、すなわち内燃機関が暖機完了状態にあると判定された場合には、ステップＳ１１５へと進む。ステップＳ１１５では、アンモニア供給ポンプ３１によって加圧されるアンモニアの目標燃圧Ｐｔｇがアンモニア蒸気圧Ｐｖａｍよりも高い値、特に本第六実施例ではアンモニア蒸気圧Ｐｖａｍに所定値ΔＰを加算した値に設定される。これにより、アンモニア噴射弁６ａからは液状のアンモニアが供給されることになる。
次に、第二実施形態の第七実施例について説明する。本第七実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、図３１に示したように、各気筒当たり二つのアンモニア噴射弁を有しており、一方のアンモニア噴射弁６ａは吸気ポート２３内へ向けてガス状のアンモニアを噴射すると共に、他方のアンモニア噴射弁６ａ’は燃焼室２内へ向けて液状のアンモニアを噴射する。これらガス状アンモニア噴射弁６ａ及び液状アンモニア噴射弁６ａ’は、いずれも同一のアンモニアタンク３０に接続されており、ガス状アンモニア噴射弁６ａ及び液状アンモニア噴射弁６ａ’にはそれぞれ別々のアンモニアリザーバ２８、２８’、アンモニア供給管２９、２９’及びアンモニア供給ポンプ３１、３１’を介してアンモニアが供給される。
ここで、上記第六実施例のアンモニア燃焼内燃機関では燃焼室２内に液状アンモニアかガス状アンモニアのいずれか一方を選択的に供給することしかできなかったが、このように構成された第七実施例のアンモニア燃焼内燃機関では液状アンモニアとガス状アンモニアの両方を同時に燃焼室２内に供給することができ、またガス状アンモニア噴射弁６ａ及び液状アンモニア噴射弁６ａ’からのアンモニア噴射量を調整することにより、燃焼室２内に供給する液状アンモニアとガス状アンモニアとの比率を変更することができる。
そこで、第七実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、内燃機関の冷間時にはガス状アンモニアの供給比率を高くすると共に、内燃機関の暖機完了後には液状アンモニアの供給比率を高くすることとしている。より具体的には、図３２（Ａ）に示したように、機関冷却水の温度が高くなるほど、液状アンモニアの供給比率を増大させることとしている。
さらに、第七実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、機関負荷、機関回転数及びガス状アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの圧力に応じて、液状アンモニアとガス状アンモニアとの供給比率を変更することとしている。具体的には、図３２（Ｂ）に示したように、機関負荷が高くなるほど液状アンモニアの供給比率を増大させることとしている。これは、機関低負荷運転時には、吸気ポート２３に噴射されるガス状アンモニアの比率を高くすることで、吸気ポート２３内の混合気の圧力を高めることができ、これによりポンピング損失を低減させることができると共に、アンモニアの気化に伴う気化潜熱を奪われずに、混合気を高温のまま維持することができ、よって混合気の燃焼性の悪化を抑制することができる。一方、機関高負荷運転時には、燃焼室２内に噴射される液状アンモニアの比率を高くすることで、燃焼室２内に供給される空気量を増大させることができると共に、機関負荷が高くて高温になり易い混合気の温度をアンモニアの気化潜熱により低下させることができる。
また、本第七実施例では、図３２（Ｃ）に示したように、機関回転数が高くなるほど液状アンモニアの供給比率を増大させることとしている。一般に、機関回転数が低い場合には機関回転数が高い場合に比べて燃焼室２内の温度が低くなるが、機関回転数が低い場合にガス状アンモニアの供給比率を高くすることで、アンモニアの気化に伴う気化潜熱により燃焼室２内の温度が低下するのを抑制している。また、機関回転数が高い場合には、アンモニアを噴射可能な時間が短くなるが、第七実施例では機関回転数が高い場合に短時間に多量に噴射可能な液状アンモニアの供給を行うことにより、アンモニアを噴射可能な時間が短くなっても十分な量のアンモニアの供給を行うことができるようになる。
さらに、本第七実施例では、ガス状アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの圧力が低い場合には、液状アンモニア噴射弁６ａ’のみからアンモニアの噴射を行うこととしている。これは、ガス状アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの圧力が低い場合、ガス状アンモニア噴射弁６ａに供給される時点でアンモニアが気化していないことがあるためである。
図３３は、アンモニア噴射弁６ａ、６ａ’からの液状及びガス状アンモニアの噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図３３に示したように、まずステップＳ１２１では、機関負荷Ｌ、機関回転数Ｎｅ、機関冷却水の温度Ｔｗ、ガス状アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの圧力Ｐａが検出される。次いで、ステップＳ１２２では、ガス状アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの圧力Ｐａが基準アンモニア圧力Ｐａｒｅｆ以上であるか否か、すなわちガス状アンモニアの噴射圧力が十分であるか否かが判定され、アンモニアの圧力Ｐａが基準アンモニア圧力Ｐａｒｅｆよりも低いと判定された場合には、ステップＳ１２３へと進む。ステップＳ１２３では、ガス状アンモニアの供給比率Ｒｇａｓが０とされる。
一方、ステップＳ１２２で、アンモニアの圧力Ｐａが基準アンモニア圧力Ｐａｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ１２４へと進む。ステップＳ１２４では、機関負荷Ｌ、機関回転数Ｎｅ、機関冷却水の温度Ｔｗに基づいて、図３２（Ａ）〜（Ｃ）に示したようなマップを用いてガス状アンモニアの供給比率Ｒｇａｓが算出される。
なお、上述した第六実施例及び第七実施例をまとめると、アンモニアをガス状及び液状で燃焼室内又は吸気ポート内に供給するアンモニア供給装置が、機関運転状態に応じて、アンモニア供給装置から供給される液状アンモニアとガス状アンモニアとの比率を変更しているといえる。
次に、第二実施形態の第八実施例について説明する。第八実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、アンモニア噴射弁６ａにアンモニアを加熱する加熱装置（図示せず）が設けられる。この加熱装置によりアンモニア噴射弁６ａから噴射されるアンモニアを噴射前に加熱することができる。
ところで、上述したように、内燃機関の冷間時には、燃焼室２に供給される吸気ガスの温度が低いため、液状のアンモニアを燃焼室２内に供給すると、アンモニアの気化潜熱により圧縮端温度が十分に上昇しない場合がある。特に、燃焼室２内に供給される液状アンモニアの温度が低いと、液状アンモニアの温度を沸点まで上昇させるのにも吸気ガスの熱が奪われることになるため、圧縮端温度がより低い温度になってしまう。
そこで、第八実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、内燃機関の冷間時に燃焼室２内に供給される液状アンモニアの温度を高めるべく、加熱装置によりアンモニア噴射弁６ａから噴射されるアンモニアを加熱することとしている。これによりアンモニア噴射弁６ａからは比較的高温のアンモニアが噴射されることになり、アンモニアの気化潜熱により吸気ガスの熱が奪われても、圧縮端温度を或る程度高い温度にすることができ、よって混合気の燃焼性悪化を抑制することができる。
なお、上記第八実施例では、内燃機関の冷間時にのみ加熱装置によるアンモニアの加熱が行われるが、アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの温度が低い場合にもアンモニアの加熱を行うようにしてもよい。また、上記第八実施例では、燃焼室２内に液状のアンモニアを供給する場合を示しているが、ガス状のアンモニアを供給する場合にも同様に内燃機関の冷間時に加熱装置によりアンモニアを加熱するようにしてもよい。ガス状のアンモニアを供給する場合であっても冷間時には圧縮端温度が低くなり易いため、高温のガス状アンモニアを供給することにより圧縮端温度を高くすることができ、よって混合気の燃焼性悪化を抑制することができる。
図３４は、加熱装置によるアンモニアの加熱制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図３４に示したように、まずステップＳ１３１では、例えばアンモニアリザーバ２８内のアンモニアの温度を検出する温度センサ（図示せず）によってアンモニアの温度Ｔａが検出され、且つ機関冷却水の温度を検出する温度センサ（図示せず）によって機関冷却水の温度Ｔｗが検出される。次いで、ステップＳ１３２では、機関冷却水の温度Ｔｗが基準冷却水温度Ｔｗｒｅｆ以上であるか否か、すなわち内燃機関が冷間時にあるか否かが判定される。機関冷却水の温度Ｔｗが基準冷却水温よりも低いと判定された場合にはステップＳ１３３へと進み、加熱装置によりアンモニアが加熱せしめられる。
一方、ステップＳ１３２において機関冷却水の温度Ｔｗが基準冷却水温度Ｔｗ以上であると判定された場合には、ステップＳ１３４へと進む。ステップＳ１３４では、アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの温度Ｔａが基準アンモニア温度Ｔａｒｅｆ以上であるか否か、すなわち液状アンモニアの温度が沸点付近であるか否かが判定される。アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの温度Ｔａが基準アンモニア温度Ｔａｒｅｆよりも低いと判定された場合には、ステップＳ１３３へと進み、加熱装置によりアンモニアが加熱せしめられる。一方、ステップＳ１３４において、アンモニア噴射弁６ａに供給されるアンモニアの温度Ｔａが基準アンモニア温度Ｔａｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ１３５へと進み、加熱装置によるアンモニアの加熱が停止せしめられる。
次に、本発明の第三実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成は基本的に第一実施形態及び第二実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成と同様である。しかしながら、本実施形態では、第一実施形態及び第二実施形態とは異なり、アンモニアの存在により高燃焼性物質の燃焼性の低下が生じるような場合には、アンモニアの供給量を制限することとしている。
ところで、燃焼室２内への総燃料供給量は、機関負荷に応じて変化し、機関負荷が低いときには総燃料供給量は少なく、機関負荷が高くなるにつれて総燃料供給量は多くなる。ここで、燃焼室２内への総燃料供給量が少ない場合、燃料の燃焼によって得られる熱量は小さい。このため、総燃料供給量が少ない場合に高燃焼性物質の比率を少なく且つアンモニアの比率を大きくすると、アンモニアに先立って着火する高燃焼性物質の燃焼によって得られる熱量は極めて小さく、その結果、アンモニアに着火することができなくなってしまう。そこで、本実施形態では、燃焼室２内への目標総燃料供給量が予め定められた最低燃料供給量よりも少ない場合には、アンモニアの供給を禁止することとしている。
また、アンモニア燃焼内燃機関が圧縮自着火式内燃機関である場合、排気浄化装置１４、１６の昇温を行うとき等、燃焼室２から排出される排気ガスの昇温が必要なときには、高燃焼性物質及びアンモニアの噴射時期を通常よりも遅らせることで燃焼室２から排出される排気ガスを昇温する場合がある。この場合、圧縮上死点よりも遅角側で燃料噴射が行われることになるが、燃料噴射を行うときには燃焼室２内の温度が圧縮端温度よりも低下しており、よって混合気に着火しにくい。そこで、本実施形態では、燃料噴射時期が予め定められた圧縮上死点よりも遅角側の限界時期よりも遅い場合には、アンモニアの供給を禁止することとしている。
また、燃焼室２内への吸入空気量が少ない場合及び燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度が低い場合には、圧縮端温度が低下するため、燃焼室２内にアンモニアを供給すると、高燃焼性物質及び混合気の燃焼性が悪化する。そこで、本実施形態では、燃焼室２内への吸入空気量が予め定められた最低基準吸入空気量よりも少ない場合或いは燃焼室２内への吸気ガスの温度が予め定められた最低基準温度よりも低い場合には、アンモニアの供給を禁止することとしている。換言すると、本実施形態では、燃焼室２内への吸入空気量及び燃焼室２内への吸気ガスの温度に基づいて推定される圧縮端温度が、最低基準圧縮端温度よりも低い場合には、アンモニアの供給を禁止しているといえる。
さらに、内燃機関の冷間時等、燃焼室２周りの壁面の温度が低い場合には、燃焼室２内の吸気ガスの熱が燃焼室２周りの壁面に奪われて圧縮端温度が低下したり、混合気の燃焼中に燃焼ガスの熱が燃焼室２周りの壁面に奪われて燃焼ガスの温度が低下したりするため、燃焼室２内にアンモニアを供給すると、高燃焼性物質の燃焼性が悪化し、よって混合気の燃焼性が悪化する。そこで、本実施形態では、機関冷間時等、燃焼室２周りの壁面の温度が低い場合には、アンモニアの供給を禁止することとしている。
図３５は、アンモニアの供給禁止制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図３５に示したように、まずステップＳ１４１において、目標総燃料供給量Ｑｆ、目標燃料噴射時期Ｔｉｎｊ、吸入空気量Ｍｃ、吸気ガス温度Ｔｉｎ、機関冷却水温Ｔｗが検出される。次いで、ステップＳ１４２では、目標総燃料供給量Ｑｆが最低基準燃料供給量Ｑｆｌａｗ以上であるか否かが判定され、目標総燃料供給量Ｑｆが最低基準燃料供給量Ｑｆｌａｗ以上である場合にはステップＳ１４３へと進む。ステップＳ１４３では、目標燃料噴射時期Ｔｉｎｊが限界時期Ｔｉｎｊｌｉｍよりも進角側であるか否かが判定され、目標燃料噴射時期Ｔｉｎｊが限界時期Ｔｉｎｊｌｉｍよりも進角側であると判定された場合にはステップＳ１４４へと進む。
ステップＳ１４４では、吸入空気量Ｍｃが最低基準吸入空気量Ｍｃｌａｗ以上であるか否かが判定され、吸入空気量Ｍｃが最低基準吸入空気量Ｍｃｌａｗ以上であると判定された場合には、ステップＳ１４５へと進む。ステップＳ１４５では、吸気ガス温度Ｔｉｎが最低基準温度Ｔｉｎｌａｗ以上であるか否かが判定され、吸気ガス温度Ｔｉｎが最低基準温度Ｔｉｎｌａｗ以上であると判定された場合には、ステップＳ１４６へと進む。ステップＳ１４６では、機関冷却水温Ｔｗが最低基準温度Ｔｗｌａｗ以上であるか否か、すなわち燃焼室２周りの壁面温度が予め定められた最低温度以上であるか否かが判定され、機関冷却水温Ｔｗが最低基準温度Ｔｗｌａｗ以上であると判定された場合には、ステップＳ１４７へと進む。ステップＳ１４７では、アンモニア供給禁止フラグがオフにされる。ここで、アンモニア供給禁止フラグは、オンになっているとアンモニアと高燃焼性物質との供給比率を算出する際にアンモニアの供給比率がゼロとされ、オフになっている場合にはアンモニアの供給比率が機関運転状態に応じて適切に算出される。
一方、ステップＳ１４２において目標総燃料供給量Ｑｆが最低基準燃料供給量Ｑｆｌａｗよりも少ないと判定されるか、ステップＳ１４３において目標燃料噴射時期Ｔｉｎｊが限界時期Ｔｉｎｊｌｉｍよりも遅角側であると判定されるか、ステップＳ１４４において吸入空気量Ｍｃが最低基準吸入空気量Ｍｃｌａｗよりも少ないと判定されるか、ステップＳ１４５において吸気ガス温度Ｔｉｎが最低基準温度Ｔｉｎｌａｗよりも低いと判定されるか、ステップＳ１４６において機関冷却水温Ｔｗが最低基準温度Ｔｗｌａｗよりも低いと判定された場合には、ステップＳ１４８へと進み、アンモニア供給禁止フラグがオンとされる。
次に、本発明の第四実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成は基本的に第一実施形態〜第三実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成と同様である。しかしながら、上記実施形態では、高燃焼性物質として、例えば、ガソリン、軽油、液化天然ガス又は水素等が用いられているのに対して、本実施形態では高燃焼性物質としてこれら物質とは異なる物質が用いられる。以下では、高燃焼性物質として、上記物質とは異なる物質を用いた場合の種々の例について説明する。
まず、第四実施形態の第一実施例について説明する。第一実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は圧縮自着火式であり、高燃焼性物質としてＧＴＬ軽油（ｇａｓ−ｔｏ−ｌｉｑｕｉｄ技術により炭化水素ガスから合成された軽油）が用いられる。ＧＴＬ軽油のセタン価は７５〜８０であり、セタン価が４０〜５２程度である通常の軽油よりも高い。したがって、ＧＴＬ軽油は通常の軽油に比べて自着火し易い。このため、燃焼室２内にＧＴＬ軽油を供給すると、燃焼室２内にアンモニアが存在していてもＧＴＬ軽油はアンモニアに先行して比較的良好に自着火する。これにより、アンモニアの存在による高燃焼性物質の燃焼性の低下を抑制することができ、よって混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。
なお、本第一実施例では、ＧＴＬ軽油は、第一実施形態〜第三実施形態のアンモニア燃焼内燃機関のようにアンモニアとは別のタンクに貯留され、アンモニアとは別の供給系統により燃焼室２内に供給される。しかしながら、後述する第四実施形態のように、ＧＴＬ軽油をアンモニアと同一のタンクに貯留したり、別のタンクに貯留されていたＧＬＴ軽油とアンモニアとを事前に混合することにより、同一の燃料噴射弁により燃焼室２内又は吸気ポート２３内にＧＴＬ軽油とアンモニアとを混合したものを噴射したりするようにしてもよい。
次に、第四実施形態の第二実施例について説明する。第二実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は圧縮自着火式であり、高燃焼性物質としてジメチルエーテルが用いられる。ジメチルエーテルのセタン価は５５〜６０であり、セタン価が４０〜５２程度である通常の軽油よりも高い。したがって、上記ＧＴＬ軽油と同様に通常の軽油に比べて自着火し易く、よって混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。
なお、本第二実施例でも、ジメチルエーテルは、アンモニアとは別のタンクに貯留され、アンモニアとは別の供給系統により燃焼室２内に供給される。しかしながら、後述する第四実施形態のように、ジメチルエーテルをアンモニアと同一のタンクに貯留したり、同一の噴射弁によりジメチルエーテルとアンモニアとを混合したものを噴射したりするようにしてもよい。特に、ジメチルエーテルの沸点は−２３．６℃と低く、アンモニアの沸点に近い。このため、液状ジメチルエーテルと液状アンモニアとを混合したものを噴射する場合、液状アンモニアと同時に早期に液状ジメチルエーテルも気化・拡散するため、先に液状アンモニアのみが気化・拡散する場合に比べて、アンモニアとの混合が良好になると共にジメチルエーテルの着火性が良くなり、よって高燃焼性物質の燃焼性の悪化を抑制することができる。
次に、第四実施形態の第三実施例について説明する。第三実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は圧縮自着火式であり、高燃焼性物質として硝酸塩セタン価向上剤が用いられる。硝酸塩セタン価向上剤としては、例えば、硝酸エチル、硝酸ブチル、硝酸アミル等が挙げられる。硝酸塩セタン価向上剤も通常の軽油に比べて自着火し易く、よって混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。硝酸塩セタン向上剤は、アンモニアとは別系統で供給されても、アンモニアと混合された状態で供給されてもよい。
次に、第四実施形態の第四実施例について説明する。第四実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は圧縮自着火式であり、高燃焼性物質として有機ハイドライドが用いられる。有機ハイドライドとしては、例えば、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサン、デカリン等が挙げられる。有機ハイドライドも通常の軽油に比べて自着火し易く、よって混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。また、有機ハイドライドは、アンモニアとは別系統で供給されても、アンモニアと混合された状態で供給されてもよい。
次に、第四実施形態の第五実施例について説明する。第五実施例では、高燃焼性物質としてニトロメタンが用いられる。ニトロメタンは、アンモニアよりも着火性及び引火性共に高い。また、ニトロメタンは燃焼速度が０．５ｍ／ｓと速く、また燃焼温度が２４００℃と高い。このため、アンモニア燃焼内燃機関として圧縮自着火式内燃機関を用いた場合には、燃焼室２内にニトロメタンを供給すると、燃焼室２内にアンモニアが存在していてもニトロメタンはアンモニアに先行して比較的良好に自着火して迅速に燃え広がり、また燃焼温度が高いためアンモニアへの着火源となる。一方、アンモニア燃焼内燃機関として火花点火式内燃機関を用いた場合には、燃焼室２内にニトロメタンを供給すると、燃焼室２内にアンモニアが存在していてもニトロメタンはアンモニアに先行して比較的良好に引火して迅速に燃え広がり、また燃焼温度が高いためアンモニアへの引火源（着火源）となる。これにより、アンモニアの存在による高燃焼性物質の燃焼性の低下を抑制することができ、よって混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。
また、ニトロメタンは分子内に酸素を含んでいる。このため、ニトロメタンは酸素のほとんど無い環境下でも燃焼することができる。例えば、筒内直噴型噴射弁から燃料噴射を行うと、点火時期又は着火時期までに混合気は均質にならずに混合気の空燃比にムラが生る。したがって、例えば混合気の目標空燃比が理論空燃比であっても、燃焼室２内には局所的にリッチ雰囲気の箇所、リーン雰囲気の箇所ができてしまう。ここでニトロメタンは酸素のほとんど無い環境下でも燃焼することができるため、リッチ雰囲気の箇所でも良好な燃焼を行うことができる。
なお、本第五実施例でも、ニトロメタンは、アンモニアとは別のタンクに貯留され、アンモニアとは別の供給系統により燃焼室２内に供給される。しかしながら、後述する第四実施形態のように、ニトロメタンをアンモニアと同一のタンクに貯留したり、同一の噴射弁によりニトロメタンとアンモニアとを混合したものを噴射したりするようにしてもよい。特に、ニトロメタンは極性の高い液体であるため、アンモニアに良好に混合されるため、ニトロメタンとアンモニアとを容易に一つのタンク内に貯留して同一の噴射弁から噴射することができる。また、高燃焼性物質として、ニトロメタン以外のニトロ化合物、例えば２，２−ジニトロプロパン等を用いても良い。
次に、第四実施形態の第六実施例について説明する。第六実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は火花点火式内燃機関であり、高燃焼性物質としてアセトンが用いられる。アセトンは極めて引火性が高いため、燃焼室２内にアセトンを供給すると、燃焼室２内にアンモニアが存在していても、点火装置３による点火によりアセトンはアンモニアに先行して比較的容易に引火する。これにより、アンモニアの存在による高燃焼性物質の燃焼性の低下を抑制することができ、よって混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。
なお、本第六実施例でも、アセトンは、アンモニアとは別のタンクに貯留され、アンモニアとは別の供給系統により燃焼室２内に供給される。しかしながら、アセトンをアンモニアと同一のタンクに貯留したり、同一の噴射弁によりアセトンとアンモニアとを混合したものを噴射したりするようにしてもよい。特に、アセトンは両親媒性の液体であるため、アンモニアに良好に混合され、よってアセトンとアンモニアとを容易に一つのタンク内に貯留して同一の噴射弁から噴射することができる。
次に、第四実施形態の第七実施例について説明する。第七実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は火花点火式内燃機関であり、高燃焼性物質としてエチレンが用いられる。エチレンはアセトンと同様に強い引火性を有するため、アセトンと同様に混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。特に、エチレンの沸点は−１０４℃であり、アンモニアの沸点よりも低い。このため、エチレンと液状アンモニアとを噴射する場合、液状アンモニアよりも速くエチレンが気化・拡散するため、先に液状アンモニアのみが気化・拡散する場合に比べて、アンモニアとの混合が良好になる。
次に、第四実施形態の第八実施例について説明する。第八実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は圧縮自着火式であり、高燃焼性物質としてヒドラジン、特に水加ヒドラジンが用いられる。ヒドラジンは、着火性の高い物質であると同時に引火性も高く、燃焼範囲も広い。このため、燃焼室２内にヒドラジンを供給すると、燃焼室２内にアンモニアが存在していてもヒドラジンはアンモニアに先行して比較的良好に自着火すると共に、一旦自着火すると迅速に燃焼が燃焼室２内に広がる。このため、アンモニアの存在による高燃焼性物質の燃焼性の低下を抑制することができ、よって混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。さらに、ヒドラジンは炭素を含まない物質であるため、ヒドラジンを燃焼させても温室効果ガスである二酸化炭素が排出されない。
ところで、ヒドラジンは燃焼性の高い物質であり且つ燃焼範囲が広いことから、その安全性に対する対策が必要である。そこで、本第八実施例では、図３６に示したように、高燃焼性物質タンク（ヒドラジンタンク）３４内にカルボニア基を持つポリマ６５が収容されると共に、ヒドラジンタンク３４を加熱する加熱装置６６が設けられる。加熱装置６６としては、電気ヒータによりヒドラジンタンク３４を加熱するものを用いることもできるし、排気ガスの熱を利用してヒドラジンタンク３４を加熱するものを用いることもできる。
ここで、ヒドラジンは、常温でカルボニア基を持つポリマと反応して水とヒドラゾンに分離される（脱水縮合）。ヒドラゾンは固体の物質であり、ヒドラジンに比べて燃焼性が低く、よってヒドラジンに比べて安全性が高い。本第八実施例では、ヒドラジンタンク３４内にカルボニア基を持つポリマ６５が収容されていることから、ヒドラジンタンク３４内に供給されたヒドラジンはこのポリマ６５と反応してヒドラゾンになる。これにより、ヒドラジンを安全な形で保存することができる。
また、ヒドラゾンは、水と熱を加えることによりヒドラジンに変化する（加水分解）。そこで、本第八実施例では、燃焼室２内にヒドラジンの供給が必要なときには、加熱装置６６によりヒドラジンタンク３４内のヒドラゾンを加熱することで、ヒドラジンを生成することとしている。なお、このときに必要な水は、ヒドラジンを脱水縮合した際に発生してヒドラジンタンク３４内に貯留されている水が利用される。
なお、上記第八実施例とは異なり、後述する第四実施形態のように、ヒドラジンをアンモニアと同一のタンクに貯留したり、同一の噴射弁によりヒドラジンとアンモニアとを混合したものを噴射したりするようにしてもよい。また、上述したように、ヒドラジンは高い引火性を有するため、火花点火式内燃機関において用いられてもよい。
次に、第四実施形態の第八実施例の第一変形例について説明する。ところで、ヒドラジンは、アンモニアを次亜塩素酸塩、例えば次亜塩素酸ナトリウムで酸化することによって生成することができる。そこで、本第一変形例では、この酸化反応を利用してアンモニアからヒドラジンを生成することとしている。
図３７は、本第一変形例のアンモニア燃焼内燃機関を概略的に示す図である。図３７に示したように、ヒドラジンタンク３４とアンモニアタンク３０とは連通路６８によって連通されている。この連通路６８には、アンモニアタンク３０内のアンモニアをヒドラジンタンク３４内へと供給するためのアンモニア供給ポンプ６９と、アンモニアからヒドラジンを生成するヒドラジン生成装置７０とが設けられる。ヒドラジン生成装置７０には次亜塩素酸塩が収容されており、アンモニアがヒドラジン生成装置７０内を流通すると酸化されてヒドラジンが生成される。なお、ヒドラジン生成装置７０においてアンモニアからヒドラジンを生成する際に加熱が必要な場合には、電気ヒータにより又は排気ガスの熱によりヒドラジン生成装置７０が加熱される。
このように構成された本第一変形例では、ヒドラジンタンク３４内から燃焼室２内に供給された分だけアンモニア供給ポンプ６９によりアンモニアがヒドラジン生成装置７０に供給され、これに伴ってヒドラジン生成装置７０からヒドラジンがヒドラジンタンク３４内に流入せしめられる。これにより、外部からヒドラジンを供給する必要がなくなると共に、ヒドラジンタンク３４内に多量にヒドラジンを貯留しておく必要がなくなり、よってヒドラジンを比較的安全に保存することができる。
なお、上記第一変形例では、ヒドラジン生成装置７０は、アンモニアタンク３０及びヒドラジンタンク３４の外部に配置されているが、これらタンク３０又は３４内に設けられてもよい。また、上記第一変形例では、次亜塩素酸塩を利用してアンモニアからヒドラジンを生成しているが、塩素を用いてアンモニアを酸化することによってヒドラジンを生成してもよい。
次に、第四実施形態の第八実施例の第二変形例について説明する。ところで、ヒドラジンと水素とを比較すると、ヒドラジンの方が着火性が良く、一方、水素の方が燃焼速度が速い。このため、機関低負荷運転時には、高燃焼性物質としてヒドラジンを多量に供給することでアンモニアの燃焼性を向上させることができ、機関高回転運転時には、高燃焼性物質として水素を多量に供給することでアンモニアの燃焼性を向上させることができる。そこで、本第二変形例では、ヒドラジンタンク３４内に供給されているヒドラジンから水素を生成し、機関運転状態に応じて燃焼室２内に供給するヒドラジンと水素との供給割合を変化させることとしている。具体的には、機関負荷が低くなるほど水素に対するヒドラジンの供給割合を多くし、機関回転数が高くなるほどヒドラジンに対する水素の供給割合を多くしている。
図３８は、本第二変形例のアンモニア燃焼内燃機関を概略的に示す図である。図３８に示したように、本変形例では、ヒドラジンタンク３４に加えて、水素を貯留するための水素タンク３４’が設けられる。この水素タンク３４’は、水素供給管３３’を介して水素リザーバ３２’に接続され、水素リザーバ３２’は水素噴射弁６ｂ’に連結される。水素供給管３３’には水素供給ポンプ３５’が配置され、この水素供給ポンプ３５’によって水素タンク３４’内の水素が水素リザーバ３２’に供給される。
また、図３８に示したように、ヒドラジンタンク３４と水素タンク３４’とは連通路７１によって連通されている。この連通路７１には、ヒドラジンタンク３０内のヒドラジンを水素タンク３４’内へと供給するためのヒドラジン供給ポンプ７２と、ヒドラジンから水素を生成する水素生成装置７３とが設けられる。水素生成装置７３にはアンモニアから水素を生成するための触媒が収容されており、ヒドラジンが水素生成装置７０内を流通するとヒドラジンから水素が生成される。なお、水素生成装置７３においてヒドラジンから水素を生成する際に加熱が必要な場合には、電気ヒータにより又は排気ガスの熱により水素生成装置７３が加熱される。
このように構成された本第二変形例では、水素タンク３４’内から燃焼室２内に供給された分だけヒドラジン供給ポンプ７２によりヒドラジンが水素生成装置７３に供給され、これに伴って水素生成装置７３から水素が水素タンク３４’内に流入せしめられる。これにより、外部から水素を供給することなく燃焼室２内に水素を供給することができると共に、機関運転状態に応じてヒドラジンと水素とを燃焼室２内に供給することができるため、アンモニアが存在することによる混合気の燃焼性の悪化をより確実に抑制することができるようになる。
次に、第四実施形態の第九実施例について説明する。第九実施例では、アンモニア燃焼内燃機関は火花点火式であり、高燃焼性物質としてアセチレンが用いられる。アセチレンは、引火性の高い物質であると共に、燃焼範囲が極めて広い。このため、燃焼室２内にアセチレンを供給すると、燃焼室２内にアンモニアが存在していても、点火装置３によって点火を行うとアセチレンはアンモニアに先行して比較的容易に引火する。これにより、アンモニアの存在による高燃焼性物質の燃焼性の低下を抑制することができ、よって混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。
高燃焼性物質としてアセチレンを用いた場合も、上記実施例と同様に、アセチレンをアンモニアとは別系統で供給しても、アンモニアと混合された状態で供給してもよい。しかしながら、アセチレンも燃焼性の高い物質であり且つ燃焼範囲が極めて広いことから、安全性に対する対策が必要となる。そこで、本第九実施例では、安全性の高い炭化カルシウムを炭化カルシウム収容器に収容し、この炭化カルシウムに水分を供給することでアセチレンを生成することとしている。
図３９は、第九実施例のアンモニア燃焼内燃機関を概略的に示す図である。第九実施例のアンモニア燃焼内燃機関は、図３９に示したように、排気管１３から分岐する分岐管８０と、排気管１３から分岐管８０への分岐部に設けられた流量調整弁８１とを具備する。流量調整弁８１は、分岐管８０に流入する排気ガスの流量を制御することができる。分岐管８０にはアセチレン生成装置８２が配置され、この分岐管８０は上流側排気浄化装置１４よりも上流側で排気管１３に合流する。
アセチレン生成装置８２は、アセチレン供給管３３を介してアセチレンリザーバ３２に接続される。アセチレン供給管３３には、アセチレン生成装置８２によって生成されたアセチレンを貯留するためのアセチレンタンク８３と、アセチレンタンク８３内に貯留されているアセチレンをアセチレンリザーバ３２に供給するためのアセチレン供給ポンプ３５が配置さる。
アセチレン生成装置８２は炭化カルシウムを収容する炭化カルシウム収容器を具備し、したがってアセチレン生成装置８２に水分を流通させると、アセチレンが生成せしめられる。一方、燃焼室２から排出された排気ガス中には水分が含まれている。したがって、燃焼室２から排出された排気ガスをアセチレン生成装置８２に流通させるとアセチレンが生成せしめられる。特に、アセチレン生成装置８２によって生成されるアセチレンの量は、アセチレン生成装置８２に流入する水分の量に比例する。したがって、流量調整弁８１により分岐管８０に流入する排気ガスの流量が増大せしめられるとアセチレン生成装置８２で生成されるアセチレンの量が増大し、逆に流量調整弁８１により分岐管８０に流入する排気ガスの流量が減少せしめられると、アセチレン生成装置８２で生成されるアセチレンの量が減少せしめられる。
なお、上記第九実施例では、排気ガスをアセチレン生成装置に直接流通させているが、機関排気通路内に排気ガス中の水分を凝縮させるための凝縮器を設けると共に、凝縮器において得られた水をアセチレン生成装置に供給するようにしてもよい。また、上記第九実施例では、排気ガス中の水分をアセチレン生成装置に供給するようにしているが、水を貯留する水タンクを更に設け、この水タンクから水をアセチレン生成装置に供給するようにしてもよい。
図４０は、アセチレン生成制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図４０に示したように、まずステップＳ１５１では、アセチレンタンク８３内のアセチレンの貯留量を検出するセンサ（図示せず）によってアセチレンタンク８３内のアセチレン貯留量Ｒｅａｓが検出される。次いで、ステップＳ１５２では、アセチレンタンク８３内のアセチレンの量が予め定められた基準量Ｒｅａｓｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ１５２において、アセチレンタンク８３内のアセチレン貯留量Ｒｅａｓが予め定められた基準量Ｒｅａｓｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ１５３へと進む。ステップＳ１５３では、分岐管８０に流入する排気ガスの流量が減少せしめられ、これによりアセチレン生成装置８２によるアセチレンの生成量が減少せしめられる。一方、ステップＳ１５２において、アセチレンタンク８３内のアセチレン貯留量Ｒｅａｓが予め定められた基準量Ｒｅａｓｒｅｆよりも少ないと判定された場合には、ステップＳ１５４へと進む。ステップＳ１５４では、分岐管８０に流入する排気ガスの流量が増大せしめられ、これによりアセチレン生成装置８２によるアセチレンの生成量が増大せしめられる。
次に、図４１を参照して、第四実施形態の第十実施例について説明する。第十実施例のアンモニア燃焼内燃機関では、図４１に示したように、高燃焼性物質タンク３４、３４‘及び高燃焼性物質噴射弁６ｂ、６ｂ’が二つ設けられており、それぞれに高燃焼性物質供給管３３、３３‘及び高燃焼性物質供給ポンプ３５、３５’が設けられる。高燃焼性物質として二つの物質が燃焼室２内に供給される。具体的には、第十実施例では、高燃焼性物質として、アンモニアよりも着火性が高い着火性向上剤（例えば、軽油、ＧＴＬ軽油、ジメチルエーテル、硝酸塩セタン価向上剤、ニトロ化合物、アセチレン等が挙げられる）と、アンモニアよりも火炎伝搬速度の速い火炎伝搬速度向上剤（例えば、ガソリン、水素、アセトン、エチレン、ニトロ化合物等が挙げられる）とが用いられる。したがって、着火性向上剤が高燃焼性物質タンク３４に供給されると共に高燃焼性物質噴射弁６ｂから噴射され、火炎伝搬速度向上剤が高燃焼性物質タンク３４‘に供給されると共に高燃焼性物質噴射弁６ｂ’から噴射される。
アンモニアに加えて着火性向上剤と火炎伝搬速度向上剤とを燃焼室２内に供給することで、着火性向上剤の存在により混合気には容易に着火すると共に、一旦混合気に着火した後に火炎伝搬速度向上剤の存在により混合気の燃焼が高速で燃焼室２内に広がっていく。このため、アンモニアの存在による高燃焼性物質の燃焼性の低下を抑制することができ、よって混合気の燃焼性の低下を抑制することができる。
なお、上記第十実施例では、高燃焼性物質として二つの物質が燃焼室２内へ供給されているが、三つ以上の物質を燃焼室２内に供給するようにしてもよい。また、上記第十実施例では、複数の高燃焼性物質とアンモニアとを混合せずに別々に別個の供給系統を介して燃料供給を行っているが、複数の高燃焼性物質とアンモニアとを混合した状態で燃料供給を行うようにしてもよい。
次に、本発明の第五実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成は基本的に第一実施形態〜第四実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成と同様である。
ところで、アンモニアは極性を持つ物質であり、高燃焼性物質の種類によっては高燃焼性物質には溶解しない。このため、上述した各実施形態では、アンモニアと高燃焼性物質とを別個のタンクに貯留すると共に別個の供給経路を介して別個の噴射弁から噴射している。しかしながら、このようにアンモニアと高燃焼性物質とを別個のタンク、供給経路及び噴射弁を介して供給すると、各構成要素がそれぞれ二つ必要となり、製造コストが高くなる。そこで、本実施形態では、高燃焼性物質としてアンモニアには溶解しない物質を用いた場合であっても、タンク、供給経路及び噴射弁の少なくともいずれか一つを共通化して製造コストを低減させることとしている。以下では、アンモニアには混ざらない（溶解しない）物質を用いた場合にタンク、供給経路及び噴射弁を共通化した場合の種々の例について説明する。
まず、第五実施形態の第一実施例について説明する。第一実施例では、図４２に示したように、各気筒の燃焼室２の上面に燃焼室２内に向けてアンモニアと高燃焼性物質（特に、アンモニアとは混ざらない非アンモニア物質）とが混合した混合燃料を噴射する燃料噴射弁６が配置される。各燃料噴射弁６は燃料リザーバ９０に連結され、この燃料リザーバ９０は燃料供給管９１を介して混合器９２に接続される。混合器９２は、アンモニア供給管２９を介してアンモニアタンク３０に接続されると共に、高燃焼性物質供給管３３を介して高燃焼性物質タンク３４に接続される。また、アンモニア供給管２９にはアンモニア供給ポンプ３１が配置され、高燃焼性物質供給管３３には高燃焼性物質ポンプ３５が配置される。
図４３は、混合器９２の構成を概略的に示した図である。図４３に示したように、混合器９２は、アンモニア供給管２９と燃料供給管９１とに連通するアンモニア流通路９４と、高燃焼性物質供給管３３に連通する高燃焼性物質流通路９５とを具備する。アンモニア流通路９４は、アンモニア流通路９４の絞り部を構成するオリフィス９６を有し、高燃焼性物質流通路９５はオリフィス９６に接続される。このように構成された混合器９２では、アンモニア流通路９４を流通するアンモニアの流速がオリフィス９６で速くなり、これにより高燃焼性物質通路９５から高燃焼性物質が吸引され、オリフィス９６を流れるアンモニア内に放出される。オリフィス９６に放出された高燃焼性物質はオリフィス９６内でアンモニア内に分散され、これによりアンモニアと高燃焼性物質とが混合される。これによりアンモニアと高燃焼性物質とが良好に混合せしめられる。このように本第一実施例では、燃料噴射弁と燃料供給経路の一部とが共通化されるため、製造コストを低減させることができる。
また、アンモニアと高燃焼性物質との混合比率は、アンモニア供給ポンプ３１の出力に対する高燃焼性物質供給ポンプ３５の出力を変更することで、すなわちアンモニア流通路９４に流入するアンモニアの圧力に対する高燃焼性物質流通路９５に流入する高燃焼性物質の圧力を変更することで、調整される。具体的には、アンモニア供給ポンプ３１の出力に対する高燃焼性物質供給ポンプ３５の出力を高めると高燃焼性物質の混合比率が増大し、逆にアンモニア供給ポンプ３１の出力に対する高燃焼性物質供給ポンプ３５の出力を低下させると高燃焼性物質の混合比率が減少せしめられる。
次に、第五実施形態の第二実施例について説明する。第二実施例では、燃焼室２内にアンモニアと高燃焼性物質とが供給されるが、これらアンモニア及び高燃焼性物質を貯留するタンクは一つしか設けられていない。したがって、アンモニア及び高燃焼性物質は共に一つの燃料タンク１００内に貯留される。
図４４は、第二実施例のアンモニア燃焼内燃機関の概略図である。図４４に示したように、第二実施例のアンモニア燃焼内燃機関には燃料タンク１００が一つのみ設けられる。燃料タンク１００の底部には燃料タンク１００から下方に突出した燃料溜まり１０１が設けられ、この燃料溜まり１０１には高燃焼性物質供給管３３が接続される。一方、燃料タンク１００内には燃料タンク１００内に貯留された燃料上に浮くフロート１０２が設けられる。フロート１０２には、アンモニア供給管２９が接続される。
燃料タンク１００にはアンモニアとアンモニアとは混ざらない高燃焼性物質とが貯留される。アンモニアと高燃焼性物質とは互いに混ざり合わないため、燃料タンク１００内で分離する。ここで、高燃焼性物質を軽油とした場合、軽油の比重はアンモニアの比重よりも高いため、燃料タンク１００の上方にアンモニアが貯留され（図４４中の上層１０３）、燃料タンク１００の下方に高燃焼性物質が貯留される（図中の下層１０４）。燃料タンク１００内に貯留されたアンモニア及び高燃焼性物質はこのように上下に分離するため、燃料上に浮くフロート１０２周りにはアンモニアが存在することになり、燃料溜まり１０１内には高燃焼性物質が存在することになる。このため、フロート１０２に接続されたアンモニア供給管２９は燃料タンク１００の液面近傍に貯留されたアンモニアを吸引し、燃料溜まり１０１に接続された高燃焼性物質供給管３３は燃料タンク１００の底部近傍に貯留された高燃焼性物質を吸引することになる。
アンモニア燃焼内燃機関をこのように構成することにより、燃料タンクを一つにすることができるため製造コストを削減することができると共に、燃料の補給を燃料の種類毎に区別して行う必要がなく、ユーザの利便性を向上させることができる。
次に、図４５を参照して、上記第二実施例の変形例について説明する。本変形例では、燃料タンク１００に加えて高燃焼性物質を貯留するための高燃焼性物質タンク１０３が設けられる。高燃焼性物質タンク１０３は高燃焼性物質移送管１０４により燃料タンク１００の燃料溜まり１０１に連結される。高燃焼性物質移送管１０４には移送ポンプ１０５が設けられ、燃料溜まり１０１内に存在する高燃焼性物質を高燃焼性物質タンク１０３に移送する。高燃焼性物質供給管３３は燃料溜まり１０１ではなく、高燃焼性物質タンク１０３に接続される。
このように構成された本変形例のアンモニア燃焼内燃機関では、燃料タンク１００内に下方に貯留されて燃料溜まり１０１内に存在する高燃焼性物質が移送ポンプ１０５により高燃焼性物質タンク１０３内に移送される。このため、高燃焼性物質タンク１０３内には高燃焼性物質が貯留されることになる。
上述した第一実施例と変形例とをまとめると、本第一実施例及び変形例では、燃料タンク１００内に貯留されている燃料のうち燃料タンク１００の液面近傍の燃料を燃焼室２に供給する液面燃料供給装置と、燃料タンク１００の底部近傍の燃料を燃焼室２に供給する、上記液面燃料供給装置とは別系統の底部燃料供給装置とを具備するように、アンモニア燃焼内燃機関が構成されているといえる。
次に、図４６を参照して、第五実施形態の第三実施例について説明する。第三実施例では、図４２に示した例と同様に、燃料噴射弁６、燃料リザーバ９０、燃料供給管９１、混合器９２が設けられる。また、混合器９２にはアンモニア供給管２９及び高燃焼性物質供給管３３が連結される。アンモニア供給管２９は燃料タンク１００内に貯留された燃料上に浮くフロート１０２に接続され、高燃焼性物質供給管３３は燃料タンク１００の燃料溜まり１０１に接続される。
さらに、本第三実施例では、混合器９２よりも下流側の燃料供給管９１に燃料供給管９１内を流れる混合燃料の混合状態を検出する混合状態検出センサ１０６が設けられる。混合状態検出センサ１０６は、例えば光の減衰量によって混合燃料の混合状態を検出する。さらに、混合状態検出センサ１０６よりも下流側では燃料供給管９１から戻り管１０７が分岐せしめられ、この戻り管１０７は混合器９２に接続される。また、燃料供給管９１から戻り管１０７への分岐部には戻り弁１０８が設けられ、この戻り弁１０８は戻り管１０７を介して混合器９２に戻される混合燃料の流量を制御する。
このように構成されたアンモニア燃焼内燃機関では、混合状態検出センサ１０６によって検出された混合燃料の混合状態が予め定められた基準混合状態よりも悪い場合、例えば光の減衰量が予め定められた基準減衰量よりも低い場合には、燃料供給管９１を流れる混合燃料の一部が戻り管１０７を介して混合器９２に戻されるように戻り弁１０８が制御される。混合器９２に戻された混合燃料は混合器９２において再度混合せしめられる。或いは、混合状態検出センサ１０６によって検出された混合燃料の混合状態が悪いほど、混合器９２に戻される混合燃料の量が多くなるように戻り弁１０８を制御するようにしてもよい。
アンモニア燃焼内燃機関をこのように構成することにより、燃料タンクを一つにすることができるため製造コストを削減することができると共に、燃料の補給を燃料の種類毎に区別して行う必要がなく、ユーザの利便性を向上させることができる。さらに、混合器によりアンモニアと高燃焼性物質とを良好に混合させることができる。
次に、図４７を参照して、第五実施形態の第四実施例について説明する。第四実施例では、燃料タンク、供給経路及び燃料噴射弁の全てが共通化され、燃料タンク及び供給経路は一つのみが設けられ、燃料噴射弁は各気筒当たり一つの燃料噴射弁のみが設けられる。すなわち、第四実施例では、図４７に示したように、燃焼室２内に燃料を供給する燃料噴射弁６が各気筒毎に一つ配置される。各燃料噴射弁６は燃料リザーバ９０に連結され、この燃料リザーバ９０は燃料供給管９１を介して燃料タンク１１０に接続される。燃料供給管９１には燃料ポンプ１１１が設けられる。
燃料タンク１１０には、アンモニア及びアンモニアとは混ざらない高燃焼性物質とが供給される。加えて、燃料タンク１１０には極性物質と非極性物質とを混合させる界面活性剤（乳化剤）が供給される。したがって、燃料タンク１１０には、アンモニア、高燃焼性物質及び界面活性剤が貯留される。このように、界面活性剤を燃料タンク１１０内に供給することにより、極性物質であるアンモニアと、非極性物質である高燃焼性物質とを混合させることができる。
このように、本第四実施例では、燃料タンク１１０内に界面活性剤を供給することによりアンモニアと高燃焼性物質とを良好に混合させつつ、燃料タンク、供給経路及び燃料噴射弁の全てを共通化することで製造コストを低減させることができる。
なお、燃料タンク１１０内に界面活性剤を混入した場合であっても、アンモニアと高燃焼性物質との混合を長期間に亘って維持することができない場合がある。この場合、燃料タンク１１０内に燃料タンク１１０内の燃料を攪拌させる攪拌装置１１２を設けると共に、燃料タンク１１０内のアンモニアと高燃焼性物質とが或る程度分離してしまう時間毎に攪拌装置１１２により燃料タンク１１０内の燃料を攪拌させるようにしてもよい。或いは、燃料タンク１１０内の燃料の混合状態を検出する混合状態検出装置（図示せず）を燃料タンク１１０内に設け、燃料の混合状態が予め定められた基準混合状態よりも悪化した場合に攪拌装置１１２により燃料タンク１１０内の燃料を攪拌させるようにしてもよい。
次に、本発明の第五実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成は基本的に第一実施形態〜第五実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成と同様である。
ところで、火花点火式の内燃機関では、機関運転状態によってノッキングが発生する。この場合、一般に、点火装置３による点火時期を遅角することでノッキングを解消している。ところが、多くの場合、点火時期を遅角すると燃焼室２内での混合気の燃焼が遅れ、燃焼によって得られる熱エネルギを十分にピストンに伝達することができなくなり、出力の低下を招くことになる。
ここで、アンモニアは極めてオクタン価の高い物質であり、よって耐ノック性が高い。このため、アンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニアの供給割合を増大させると耐ノック性が向上する。そこで、本実施形態では、ノッキングが生じた場合、またはノッキングが生じる可能性が高い場合には、燃焼室２内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニアの供給割合を高くすることとしている。
具体的には、本実施形態では、ノッキングの強度を検出するノックセンサ（図示せず）によりノッキングの強度を検出すると共に、ノッキングの強度が予め定められた限界ノッキング強度よりも高くなったときには燃焼室２内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニアの供給割合を高くすることとしている。これにより、点火装置３による点火時期を遅角させることなくノッキングを解消することができる。
図４８は、本実施形態のアンモニア供給割合補正量の制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、本実施形態では、図４８に示した制御ルーチンとは別の制御ルーチンにより、機関運転状態に基づいて燃焼室２へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニアの供給割合が算出されており、この別の制御ルーチンにより算出されたアンモニアの供給割合が図４８に示した制御ルーチンによって算出されるアンモニア供給割合補正量分だけ補正される。
図４８に示したように、まずステップＳ１６１では、ノックセンサによってノッキング強度Ｐｋが検出され、また公知の手段により混合気の失火の可能性が検出される。次いで、ステップＳ１６２では、ノッキング強度Ｐｋが限界ノッキング強度Ｐｋｏよりも大きいか否かが判定され、ノッキング強度Ｐｋが限界ノッキング強度Ｐｋｏよりも大きいと判定された場合には、ステップＳ１６３へと進む。ステップＳ１６３では、アンモニア供給割合補正量ΔＲが所定量Ｒｘだけ増量せしめられる。これにより、アンモニア供給割合が増大せしめられ、ノッキングを確実に解消することができる。
一方、ステップＳ１６２においてノッキング強度Ｐｋが限界ノッキング強度Ｐｋｏ以下であると判定された場合には、ステップＳ１６４へと進む。ステップＳ１６４では、失火の可能性が検出されたか否かが判定され、失火の可能性が検出された場合にはステップＳ１６５へと進む。ステップＳ１６５では、アンモニア供給割合補正量ΔＲが所定量Ｒｘだけ減量せしめられる。これにより、燃焼性の低いアンモニアの供給割合が減量せしめられ、失火の危険性が回避せしめられる。一方、ステップＳ１６４において、失火の可能性が検出されていないと判定された場合には、アンモニア供給割合補正量ΔＲを増減することなく制御ルーチンが終了せしめられる。
なお、上述した各実施形態の実施例、変形例同士を互いに組み合わせてもよく、また別の実施形態の実施例同士を組み合わせてもよい。例えば、第一実施形態の第一実施例と第四実施形態の第一実施例とを組み合わせて、高燃焼性物質としてＧＴＬ軽油を用いると共に、燃焼室２内へのアンモニア供給量が増大したときに、燃焼室２内に供給される吸気ガスの温度を上昇させるようにしてもよい。
なお、本発明について特定の実施形態に基づいて詳述しているが、当業者であれば本発明の請求の範囲及び思想から逸脱することなく、様々な変更、修正等が可能である。

１ 機関本体
２ 燃焼室
３ 点火装置
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
６ａ アンモニア噴射弁
６ｂ 高燃焼性物質噴射弁
１４ 上流側排気浄化触媒
１６ 下流側排気浄化触媒
２２ ピストン
２３ 吸気ポート
２５ 排気ポート
３０ アンモニアタンク
３４ 高燃焼性物質タンク

Claims (8)

1. 焼室内にアンモニアとアンモニアよりも燃焼しやすい高燃焼性物質とを供給可能なアンモニア燃焼内燃機関において、
   燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、燃焼室に供給された混合気が燃焼しやすくなるように内燃機関の運転パラメータが制御され、
   燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、ピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室内の吸気ガスの温度が高くなるように内燃機関の運転パラメータが制御される、アンモニア燃焼内燃機関。
2. 燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、燃焼室内に吸入される吸気ガスの温度が上昇するように内燃機関の運転パラメータが制御される、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
3. 排気ガスの一部をＥＧＲガスとして再び燃焼室に供給するＥＧＲ機構を具備し、
   燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、ＥＧＲガスによって燃焼室内に吸入される吸気ガスにもたらされる熱量が増大するようにＥＧＲ機構が制御される、請求項２に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
4. 吸気弁閉弁時における燃焼室容積に対するピストンが圧縮上死点にある時における燃焼室容積である実圧縮比を制御する実圧縮比変更機構を具備し、
   燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、実圧縮比が高くなるように実圧縮比変更機構が制御される、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
5. 燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、吸気弁閉弁時において燃焼室内に充填されている吸気ガス量が多くなるように内燃機関の運転パラメータが制御される、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
6. 燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、吸気弁閉弁時において燃焼室内に充填されている空気量が多くなるように内燃機関の運転パラメータが制御される、請求項５に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
7. 排気ガスの一部をＥＧＲガスとして再び燃焼室に供給するＥＧＲ機構を具備し、
   燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、吸気弁閉弁時において燃焼室内に充填されているＥＧＲガス量が多くなるように内燃機関の運転パラメータが制御される、請求項５に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
8. 吸気枝管内又は吸気ポート内に設けられたインパルス弁を具備し、該インパルス弁はインパルス弁よりも下流側の吸気ポート内に負圧を発生させるべく吸気弁の開弁後に開弁せしめられ、
   燃焼室内へのアンモニア供給量が増大したとき又は燃焼室内へのアンモニア及び高燃焼性物質の総供給量に対するアンモニア供給割合が増大したときには、インパルス弁の開弁時期が遅角せしめられる、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。

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