JP5900132B2 - 複合燃料内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、二種類の燃料を用いる複合燃料内燃機関に関する。

性質の異なる燃料を用いて高い熱効率を得る内燃機関として複合燃料内燃機関が知られている。このような複合燃料内燃機関は、例えば燃料として天然ガスと軽油とを利用している。この場合、吸気に天然ガスを添加して混合気を生成し、軽油は燃焼室に吸入された混合気に直接噴射される。これにより、予混合された天然ガスは、自己着火した軽油を火種として燃焼する。

このような複合燃料内燃機関の場合、比較的負荷の小さな領域では、吸気に混合される天然ガスの量が減少する。そのため、天然ガスを燃料とする混合気は希薄となり、安定的な燃焼が確保できず、未燃焼の炭化水素の排出を招く。一方、スロットルなどにより燃焼室へ吸入される吸気の量を減少させ、燃焼室における当量比を安定的な燃焼が確保できる範囲に設定すると、圧縮行程において十分な高温かつ高圧環境に到達しない。その結果、直接噴射する軽油が着火しにくくなり、燃焼室における安定的な燃焼の確保が困難になる。そこで、特許文献１は、個々の燃焼室における当量比を一定に維持したまま、燃料が燃焼する気筒を間引くことを開示している。すなわち、特許文献１は、燃料が燃焼する気筒数や燃焼をスキップする回数を調整することにより、内燃機関の負荷を変化させている。

しかしながら、特許文献１は、負荷の変動が小さな据え置き型の産業用内燃機関を対象としている。このような産業用内燃機関は、車両用内燃機関のように出力を連続的に変化させることが考慮されていない。また、車両用内燃機関は、産業用内燃機関と比較して気筒数が少なく、気筒数の間引きや燃焼のスキップによる振動の影響を受けやすいという問題がある。

特開２００９−１４４６２７号公報

そこで、本発明の目的は、吸気に混合される燃料の量が少ない負荷の小さな領域でも安定的な燃焼を確保し、振動が生じにくく、連続的に負荷が変更される複合燃料内燃機関を提供することにある。

請求項１記載の発明では、吸気加熱手段は、吸気通路を経由して燃焼室へ吸入する吸気を加熱する。具体的には、吸気加熱手段は、駆動手段によって吸気へ天然ガスを供給すると判断されたとき、負荷判断手段で機関本体が特定負荷領域にあると判断されると、吸気を加熱する。すなわち、吸気加熱手段は、吸気における天然ガスの当量比が天然ガスの燃焼に十分な可燃限界以上であって、かつ機関本体の負荷が予め設定された特定負荷領域にあるとき、燃焼室へ吸入される吸気を加熱する。この特定負荷領域とは、上述のように天然ガスの当量比が可燃限界未満となる低負荷領域と、燃焼室に吸入される吸気の量および天然ガスの量が十分に多く圧縮行程で軽油の着火に十分な高温かつ高圧に到達する高負荷領域との間となる負荷領域である。このような特定負荷領域では、吸気への天然ガスの供給量が減少し、燃焼室に流入する混合気が希薄になる。

そこで、請求項１記載の発明では、吸気加熱手段は、吸気通路を経由して燃焼室へ吸入される吸気を加熱する。吸気を加熱することにより、吸気は物質量すなわちモル数が維持されたまま体積が増大する。そのため、燃焼室へ吸入される加熱された吸気は、体積が同一であれば加熱しない吸気に比較して質量が減少する。その結果、吸気に対する天然ガスの供給量が同一であれば、加熱した吸気における天然ガスの当量比は加熱しない吸気に比較して大きくなる。これにより、燃焼室に吸入される混合気における天然ガスの当量比は、天然ガスの燃焼に十分な程度まで上昇する。つまり、吸気加熱手段で吸気を加熱することにより、気筒数の間引きや燃焼のスキップなどを実施しなくても、天然ガスの安定的な燃焼を確保可能な領域はより負荷の小さな領域まで拡大される。したがって、振動の発生を低減しつつ、吸気に混合される天然ガスの量が少ない負荷の小さな領域でも安定的な燃焼を確保することができ、連続的な負荷の変更に対応することができる。

第１実施形態による複合燃料内燃機関の構成を示す模式図 第１実施形態による複合燃料内燃機関の構成を示すブロック図 第１実施形態による複合燃料内燃機関において、負荷領域の判断の流れを示す概略図 第１実施形態による複合燃料内燃機関において、低負荷領域における処理の流れを示す概略図 第１実施形態による複合燃料内燃機関において、低負荷領域における吸気および排気の流れを示す模式図 第１実施形態による複合燃料において、低負荷領域における各部の作動の時期を示す概略図 第１実施形態による複合燃料内燃機関において、高負荷領域における処理の流れを示す概略図 第１実施形態による複合燃料内燃機関において、高負荷領域における吸気および排気の流れを示す模式図 第１実施形態による複合燃料において、高負荷領域における各部の作動の時期を示す概略図 第１実施形態による複合燃料内燃機関において、特定負荷領域における処理の流れを示す概略図 第１実施形態による複合燃料内燃機関において、特定負荷領域における吸気および排気の流れを示す模式図 特定負荷領域にあるとき、吸気の加熱前および加熱後における第一燃料の当量比を説明するための図 第１実施形態による複合燃料において、特定負荷領域における各部の作動の時期を示す概略図 第２実施形態による複合燃料内燃機関の図１に相当する図 その他の実施形態による複合燃料内燃機関の図１に相当する図

以下、複合燃料内燃機関の複数の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、複数の実施形態において実質的に共通する部位には、同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
第１実施形態による複合燃料内燃機関（以下、「エンジンシステム」という。）を図１に示す。エンジンシステム１０は、機関本体１１、吸気系１２、排気系１３、第一燃料噴射手段としての第一インジェクタ１４、第二燃料噴射手段としての第二インジェクタ１５、排気浄化部１６、過給器１７および吸気加熱部１８を備えている。機関本体１１は、複数の燃焼室１９を形成している。具体的には、機関本体１１は、図示しないシリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンの間に燃焼室１９を形成している。本実施形態の場合、機関本体１１は、ディーゼルサイクルにしたがって作動するエンジンである。なお、機関本体１１は、ディーゼルサイクルに限らず、オットーサイクルで作動するものであってもよい。

吸気系１２は、吸気通路２１を有している。吸気通路２１は、一方の端部が大気に開放し、他方の端部が機関本体１１の燃焼室１９に接続している。吸気通路２１と燃焼室１９との間は、図示しない吸気バルブによって開閉される。排気系１３は、排気通路２２を有している。排気通路２２は、一方の端部が大気に開放し、他方の端部が機関本体１１の燃焼室１９に接続している。燃焼室１９と排気通路２２との間は、図示しない排気バルブによって開閉される。

第一インジェクタ１４は、吸気通路２１に設けられている。第一インジェクタ１４は、吸気通路２１を流れる吸気に第一燃料を供給する。第一燃料は、例えば圧縮天然ガス（ＣＮＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）である。この第一燃料は、燃焼室１９において自ら着火しない。第一インジェクタ１４は、第一燃料を噴射する先端が吸気通路２１に露出している。これにより、第一燃料は、第一インジェクタ１４から吸気通路２１を流れる吸気に混合される。第一燃料が予め混合された吸気は、空気と第一燃料とが混合した混合気として燃焼室１９へ吸入される。第二インジェクタ１５は、機関本体１１の燃焼室１９にそれぞれ設けられている。第二インジェクタ１５は、燃焼室１９に吸入された吸気に第二燃料を供給する。第二燃料は、例えば軽油、重油あるいはアルコールなどである。この第二燃料は、燃焼室１９に噴射されることにより自ら着火する。第二インジェクタ１５は、機関本体１１の図示しないシリンダヘッドを貫いて先端が燃焼室１９に露出している。第二燃料は、機関本体１１の圧縮行程において燃焼室１９で加圧された混合気に第二インジェクタ１５から直接噴射される。加圧された混合気に噴射された第二燃料は、高温かつ高圧の環境において自ら着火して燃焼する。混合気に含まれている第一燃料は、この燃焼する第二燃料を火種として燃焼する。

排気浄化部１６は、排気系１３に設けられ、排気を浄化する。排気浄化部１６は、酸化触媒２３を有している。酸化触媒２３は、排気通路２２に設けられている。酸化触媒２３は、排気に含まれる未燃焼の炭化水素などの酸化を促す。排気浄化部１６は、酸化触媒２３に限らず、還元触媒および各種フィルタを有していてもよい。還元触媒は、例えば排気に含まれるＮＯｘなどを還元する。フィルタは、例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）などであり、排気に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）などを捕集する。

過給器１７は、吸気系１２と排気系１３との間に設けられている。過給器１７は、図示しないタービン、コンプレッサおよびシャフトを有している。タービンは、排気通路２２に設けられ、排気通路２２を流れる排気によって回転する。コンプレッサは、吸気通路２１に設けられ、シャフトを経由してタービンともに回転する。これにより、吸気通路２１を流れる吸気は、コンプレッサの回転によって加圧される。また、吸気通路２１には、インタークーラ２４が設けられている。インタークーラ２４は、コンプレッサによる加圧によって温度が上昇した吸気を冷却する。

吸気加熱部１８は、熱交換器２５を有している。熱交換器２５は、吸気系１２と排気系１３との間に設けられている。熱交換器２５は、排気通路２２を流れる排気と吸気通路２１を流れる吸気との間で熱交換する。熱交換器２５は、排気の流れ方向において排気浄化部１６の酸化触媒２３よりも下流側に設けられている。すなわち、吸気通路２１を流れる吸気は、熱交換器２５において排気通路２２を流れる排気によって加熱される。また、第１実施形態の場合、吸気加熱部１８は、熱交換器２５に加え加熱ヒータ２６を有している。加熱ヒータ２６は、機関本体１１の近傍の吸気通路２１に設けられている。加熱ヒータ２６は、通電によって発熱する。これにより、吸気通路２１を経由して機関本体１１に吸入される吸気は、熱交換器２５だけでなく、加熱ヒータ２６によっても加熱される。

吸気系１２は、熱交換器２５を迂回する吸気バイパス通路３１を有している。吸気バイパス通路３１は、吸気通路２１における吸気の流れ方向において熱交換器２５の上流側で吸気通路２１から分岐し、熱交換器２５の下流側で吸気通路２１に合流している。同様に、排気系１３は、熱交換器２５を迂回する排気バイパス通路３２を有している。排気バイパス通路３２は、排気通路２２における排気の流れ方向において熱交換器２５の上流側で排気通路２２から分岐し、熱交換器２５の下流側で排気通路２２に合流している。

また、吸気系１２は、過給器１７を迂回する吸気過給器バイパス通路３３を有している。吸気過給器バイパス通路３３は、吸気通路２１における吸気の流れ方向において過給器１７の上流側で吸気通路２１から分岐し、過給器１７の下流側で吸気通路２１に合流している。吸気過給器バイパス通路３３は、吸気の流れ方向においてインタークーラ２４の下流側であって、加熱ヒータ２６の上流側で吸気通路２１に合流している。同様に、排気系１３は、過給器１７を迂回する排気過給器バイパス通路３４を有している。排気過給器バイパス通路３４は、排気通路２２における排気の流れ方向において過給器１７の上流側で排気通路２２から分岐し、過給器１７の下流側で排気通路２２に合流している。排気過給器バイパス通路３４は、排気の流れ方向において酸化触媒２３よりも上流側で排気通路２２に合流している。

エンジンシステム１０は、上記に加え排気循環部３６を備えている。排気循環部３６は、循環通路３７を有している。循環通路３７は、排気通路２２と吸気通路２１とを接続している。これにより、排気通路２２を流れる排気の一部は、循環通路３７を経由して吸気通路２１へ戻される。排気循環部３６は、特許請求の範囲の排気混合手段に相当する。また、エンジンシステム１０は、上記に加え、第一開閉弁４１、第二開閉弁４２、第三開閉弁４３、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５、第六開閉弁４６および第七開閉弁４７を有している。

第一開閉弁４１は、吸気バイパス通路３１を開閉する。第二開閉弁４２は、吸気通路２１における吸気の流れ方向おいて熱交換器２５の上流側を開閉する。これにより、吸気が熱交換器２５を経由するか否かは、第一開閉弁４１および第二開閉弁４２の開閉によって制御される。第一開閉弁４１は、特許請求の範囲の吸気バイパス開閉手段に相当する。第三開閉弁４３は、吸気過給器バイパス通路３３を開閉する。吸気は、第三開閉弁４３が吸気過給器バイパス通路３３を開放しているとき過給器１７を迂回して機関本体１１へ供給され、第三開閉弁４３が吸気過給器バイパス通路３３を閉鎖しているとき過給器１７を経由して機関本体１１へ供給される。この第三開閉弁４３は、特許請求の範囲の開閉手段に相当する。第四開閉弁４４は、排気過給器バイパス通路３４を開閉する。排気は、第四開閉弁４４が排気過給器バイパス通路３４を開放しているとき過給器１７を迂回して機関本体１１から排出され、第四開閉弁４４が排気過給器バイパス通路３４を閉鎖しているとき過給器１７を経由して機関本体１１から排出される。

第五開閉弁４５は、排気循環部３６の循環通路３７を開閉する。第五開閉弁４５が循環通路３７を開閉することにより、排気通路２２から吸気通路２１へ戻される排気の流量が制御される。第六開閉弁４６は、排気バイパス通路３２を開閉する。第七開閉弁４７は、排気通路２２における排気の流れ方向において熱交換器２５の下流側を開閉する。これにより、排気が熱交換器２５を経由するか否かは、第六開閉弁４６および第七開閉弁４７の開閉によって制御される。第六開閉弁４６は、特許請求の範囲の排気バイパス開閉手段に相当する。

エンジンシステム１０は、上記の構成に加え、図２に示すように制御装置５０を備えている。制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されており、エンジンシステム１０の全体を制御する。制御装置５０は、コンピュータプログラムを実行することにより、噴射量設定部５１、可燃限界判断部５２、第一インジェクタ駆動部５３、第二インジェクタ駆動部５４および負荷領域判断部５５をソフトウェア的に実現している。なお、これら噴射量設定部５１、可燃限界判断部５２、第一インジェクタ駆動部５３、第二インジェクタ駆動部５４および負荷領域判断部５５は、ハードウェア的に実現してもよく、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現してもよい。第一インジェクタ駆動部５３は、特許請求の範囲の駆動手段に相当する。

制御装置５０は、圧力センサ６１、温度センサ６２、マスフローセンサ６３、Ａ／Ｆセンサ６４、回転数センサ６５およびアクセル開度センサ６６と電気的に接続している。圧力センサ６１、温度センサ６２およびマスフローセンサ６３は、図１に示すように吸気通路２１に設けられている。Ａ／Ｆセンサ６４は、図１に示すように排気通路２２に設けられている。回転数センサ６５は、図１に示すように機関本体１１に設けられている。アクセル開度センサ６６は、機関本体１１から離れた図示しないアクセルペダルの近傍に設けられている。圧力センサ６１は、吸気通路２１を流れる吸気の圧力を検出し、検出した圧力を電気信号として制御装置５０へ出力する。温度センサ６２は、吸気通路２１を流れる吸気の温度を検出し、検出した温度を電気信号として制御装置５０へ出力する。マスフローセンサ６３は、吸気通路２１から機関本体１１へ吸入される吸入空気の量を検出し、検出した吸入空気の量を電気信号として制御装置５０へ出力する。Ａ／Ｆセンサ６４は、排気通路２２を流れる排気に含まれる酸素の濃度を検出し、検出した酸素の濃度を電気信号として制御装置５０へ出力する。回転数センサ６５は、機関本体１１の回転数を検出し、検出した回転数を電気信号として制御装置５０へ出力する。アクセル開度センサ６６は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出し、検出した踏み込み量を電気信号として制御装置５０へ出力する。

噴射量設定部５１は、回転数センサ６５およびアクセル開度センサ６６で取得した機関本体１１の運転状態に基づいて、第一燃料および第二燃料の噴射量を設定する。可燃限界判断部５２は、吸気通路２１を流れる吸気に対する第一燃料の当量比が燃焼室１９における第一燃料の燃焼に十分な可燃限界以上であるか否かを判断する。吸気に対する第一燃料の当量比が可燃限界未満のとき、燃焼室１９に吸入された吸気に含まれる第一燃料が過小となり、安定した燃焼が確保できない。特に、機関本体１１の負荷が小さいとき、吸気に対する第一燃料の当量比は小さくなる。そこで、可燃限界判断部５２は、第一インジェクタ１４から吸気に供給する第一燃料の当量比が可燃限界以上であるか否かを判断する。この場合、可燃限界判断部５２は、圧力センサ６１、温度センサ６２およびマスフローセンサ６３で検出した各種の値から燃焼室１９へ吸入される吸気の総量を検出する。そして、可燃限界判断部５２は、噴射量設定部５１で設定された第一燃料の噴射量から第一燃料の当量比を算出し、算出した当量比が可燃限界以上であるか否かを判断する。

第一インジェクタ駆動部５３は、第一インジェクタ１４と電気的に接続している。第一インジェクタ駆動部５３は、噴射量設定部５１で設定された第一燃料の噴射量に基づいて第一インジェクタ１４を駆動する。第二インジェクタ駆動部５４は、第二インジェクタ１５と電気的に接続している。第二インジェクタ駆動部５４は、噴射量設定部５１で設定された第二燃料の噴射量に基づいて第二インジェクタ１５を駆動する。これにより、第二インジェクタ１５は、圧縮行程の後期または燃焼行程の初期において予め設定された噴射時期に、燃焼室１９へ吸入された吸気へ第二燃料を噴射する。

負荷領域判断部５５は、機関本体１１の負荷が予め設定された特定負荷領域にあるか否かを判断する。負荷領域判断部５５は、回転数センサ６５およびアクセル開度センサ６６から機関本体１１の負荷を取得する。そして、負荷領域判断部５５は、取得した機関本体１１の負荷が特定負荷領域にあるか否かを判断する。機関本体１１の負荷は、低負荷領域、高負荷領域、またはこれら低負荷領域と高負荷領域との間の負荷領域となる特定負荷領域とのいずれかに分類される。このとき、低負荷領域は、例えばアイドリングのように極めて負荷が小さく、第一燃料の当量比が可燃限界未満となる領域である。一方、高負荷領域は、アクセルペダルの開度が大きく、燃焼室１９に吸入される吸気の量および供給される第一燃料の量が十分に多く、燃焼室１９に吸入された吸気が圧縮行程において第二燃料の自己着火に十分な高温かつ高圧の状態に到達する領域である。特定負荷領域は、機関本体１１の負荷がこれら低負荷領域または高負荷領域のいずれにも該当しない領域である。そこで、負荷領域判断部５５は、取得した機関本体１１の負荷から、低負荷領域、高負荷領域または特定負荷領域のいずれの領域にあるかを判断する。一例として、排気量が２リットル程度の機関本体１１の場合、ＩＭＥＰが０．６〜１．０、第一燃料の当量比が０．３〜０．５程度であれば、特定負荷領域と判断される。したがって、この例の場合、ＩＭＥＰが０．６未満、あるいは第一燃料の当量比が０．３未満であるとき低負荷領域となり、ＩＭＥＰが１．０より大きい、あるいは第一燃料の当量比が０．５より大きいとき高負荷領域と判断される。なお、これらの数字は、あくまでも一例であり、機関本体１１の排気量などの仕様によって設定される。

制御装置５０は、図１に示す加熱ヒータ２６、第一開閉弁４１、第二開閉弁４２、第三開閉弁４３、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５、第六開閉弁４６および第七開閉弁４７とそれぞれ接続している。制御装置５０は、負荷領域判断部５５で判断した機関本体１１の負荷領域に応じて、これら加熱ヒータ２６の電源のオンまたはオフ、第一開閉弁４１、第二開閉弁４２、第三開閉弁４３、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５、第六開閉弁４６および第七開閉弁４７の開閉を制御する。

次に、上記の構成によるエンジンシステム１０の制御の流れを図３に基づいて説明する。
制御装置５０は、エンジンシステム１０が運転されているとき、機関本体１１の運転状態を取得する（Ｓ１０１）。具体的には、制御装置５０は、回転数センサ６５から機関本体１１の回転数を取得するとともに、アクセル開度センサ６６からアクセルペダルの開度を取得する。噴射量設定部５１は、Ｓ１０１において回転数およびアクセルペダルの開度が取得されると、第一燃料および第二燃料の噴射量を設定する（Ｓ１０２）。第一燃料の噴射量および第二燃料の噴射量は、例えば機関本体１１の回転数およびアクセルペダルの開度に基づくマップとして予め設定されている。したがって、噴射量設定部５１は、取得された回転数およびアクセルペダルの開度、並びに予め設定されたマップに基づいて、第一燃料の噴射量および第二燃料の噴射量を設定する。

制御装置５０は、さらに吸気通路２１を流れる吸気の状態を取得する（Ｓ１０３）。すなわち、制御装置５０は、圧力センサ６１から吸気通路２１を流れる吸気の圧力を取得する。同様に、制御装置５０は、温度センサ６２から吸気通路２１を流れる吸気の温度を取得し、マスフローセンサ６３から吸気通路２１から機関本体１１へ吸入される吸気の量を取得する。可燃限界判断部５２は、Ｓ１０３において取得した吸気の状態に基づいて、吸気通路２１を流れる吸気における第一燃料の当量比φを算出する（Ｓ１０４）。すなわち、可燃限界判断部５２は、Ｓ１０３で取得した吸気の状態に基づいて、吸気通路２１から機関本体１１の燃焼室１９へ吸入される吸気つまり空気の総量を取得する。そして、可燃限界判断部５２は、Ｓ１０２で設定した第一燃料の噴射量から、燃焼室１９に吸入される空気の総量に対する第一燃料の噴射量を第一燃料の当量比φとして算出する。

可燃限界判断部５２は、Ｓ１０４で算出した当量比φが予め設定された可燃限界Ｆ１未満であるか否かを判断する（Ｓ１０５）。可燃限界判断部５２は、算出した当量比φが可燃限界Ｆ１未満と判断すると（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、機関本体１１が低負荷領域にあると判断する（Ｓ１０６）。当量比φが可燃限界Ｆ１未満であるとき、第一燃料は、吸気へ混合される量が過小となり、燃焼室１９において燃焼が不十分となる。したがって、可燃限界判断部５２は、当量比φが可燃限界Ｆ１未満であるとき、機関本体１１が低負荷領域にあると判断する。

一方、可燃限界判断部５２は、当量比φが可燃限界Ｆ１以上であると判断すると（Ｓ１０５：Ｎｏ）、当量比φが可燃限界Ｆ１以上であって、設定当量比Ｆ２以下であるか、つまりＦ１≦φ≦Ｆ２であるか否かを判断する（Ｓ１０７）。可燃限界判断部５２は、当量比φがＦ１≦φ≦Ｆ２でないと判断すると（Ｓ１０７：Ｎｏ）、機関本体１１が高負荷領域にあると判断する（Ｓ１０８）。当量比φが設定当量比Ｆ２より大きいとき、アクセルペダルの開度が十分に大きく、燃焼室１９に吸入される吸気の量および吸気へ供給される第一燃料の量は十分に多くなる。そのため、燃焼室１９は、圧縮行程において第二燃料の自己着火に十分な高温高圧に到達する。したがって、可燃限界判断部５２は、当量比φが設定当量比Ｆ２より大きいとき、機関本体１１が高負荷領域にあると判断する。

これに対し、可燃限界判断部５２は、当量比φがＦ１≦φ≦Ｆ２であると判断すると（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）、機関本体１１が低負荷領域または高負荷領域のいずれでもない特定負荷領域にあると判断する（Ｓ１０９）。すなわち、可燃限界判断部５２は、当量比φに基づいて、機関本体１１が低負荷領域または高負荷領域のいずれかにあるか否かを判断し、これらのいずれにもない場合に機関本体１１が特定負荷領域にあると判断する。上述のように、排気量が２リットル程度の機関本体１１を想定した場合、第一燃料の当量比φを基準とすると、可燃限界Ｆ１は０．３程度となる。また、設定当量比Ｆ２は、０．５程度となる。したがって、この例の場合、可燃限界判断部５２は、Ｓ１０４で算出した当量比φが０．３未満であると機関本体１１が低負荷領域にあると判断し、当量比φが０．５より大きいと機関本体１１が高負荷領域にあると判断し、当量比φが０．３≦φ≦０．５であると機関本体１１が特定負荷領域にあると判断する。

次に、上記の手順で判断された機関本体１１の負荷領域ごとに、エンジンシステム１０の制御の流れについて詳細に説明する。
（低負荷領域）
機関本体１１が低負荷領域にあると判断されたときのエンジンシステム１０の制御の流れを、図４に基づいて説明する。
制御装置５０は、図３に示すＳ１０６において機関本体１１が低負荷領域にあると判断されると、第一開閉弁４１により吸気バイパス通路３１を開放する（Ｓ２０１）。そして、制御装置５０は、第二開閉弁４２で熱交換器２５へ至る吸気通路２１を閉鎖する（Ｓ２０２）。さらに、制御装置５０は、第三開閉弁４３で吸気過給器バイパス通路３３を開放し（Ｓ２０３）、第六開閉弁４６で排気バイパス通路３２を開放する（Ｓ２０４）。これにより、図５に示すように大気から導入された吸気は、熱交換器２５へ迂回して吸気バイパス通路３１を流れる。そして、吸気バイパス通路３１を経由した吸気は、過給器１７およびインタークーラ２４を迂回する吸気過給器バイパス通路３３を経由して機関本体１１へ流入する。

制御装置５０は、これら第一開閉弁４１、第二開閉弁４２、第三開閉弁４３および第六開閉弁４６を開放または閉鎖すると、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５および第七開閉弁４７の開度を設定する（Ｓ２０５）。そして、制御装置５０は、設定した開度に基づいて、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５および第七開閉弁４７の開度を調整する（Ｓ２０６）。すなわち、制御装置５０は、第四開閉弁４４による排気過給器バイパス通路３４の開度、第五開閉弁４５による循環通路３７の開度、および第七開閉弁４７による排気通路２２の開度を設定する。機関本体１１が低負荷領域にあるとき、酸化触媒２３を活性温度を維持するために排気の温度を維持したり、吸気へ戻す排気の流量を調整することにより、機関本体１１の運転状態を最適化することができる。そこで、制御装置５０は、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５および第七開閉弁４７の開度を調整することにより、図５に示すように排気の流れを制御する。その結果、機関本体１１は、低負荷領域において、より最適な運転状態へ制御される。制御装置５０は、Ｓ２０６の処理が完了すると、図３に示す処理へリターンする。

このように、機関本体１１が低負荷領域にあるとき、第一インジェクタ１４は図６に示すように第一燃料を吸気へ供給しない。機関本体１１が低負荷領域にあるとき、第一インジェクタ１４から第一燃料を噴射しても、吸気の当量比φは可燃限界Ｆ１未満となる。したがって、制御装置５０は、吸気通路２１を流れる吸気へ第一燃料を供給しない。そのため、機関本体１１は、低負荷領域にあるとき、第二インジェクタ１５から噴射される第二燃料によって運転される。

（高負荷領域）
機関本体１１が高負荷領域にあると判断されたときのエンジンシステム１０の制御の流れを、図７に基づいて説明する。
制御装置５０は、図３に示すＳ１０８において機関本体１１が高負荷領域にあると判断されると、当量比φの目標となる目標当量比φｄを設定する（Ｓ３０１）。この目標当量比φｄは、図３に示すＳ１０１で取得した機関本体１１の運転状態、およびＳ１０２で設定した第一燃料の燃料噴射量に基づいて設定される。機関本体１１は高負荷領域にあるため、目標当量比φｄは設定当量比Ｆ２より大きい。

制御装置５０は、目標当量比φｄを設定すると、第一開閉弁４１により吸気バイパス通路３１を開放する（Ｓ３０２）。そして、制御装置５０は、第二開閉弁４２で熱交換器２５へ至る吸気通路２１を閉鎖する（Ｓ３０３）。さらに、制御装置５０は、第三開閉弁４３で吸気過給器バイパス通路３３を閉鎖し（Ｓ３０４）、第六開閉弁４６で排気バイパス通路３２を開放する（Ｓ３０５）。これにより、図８に示すように大気から導入された吸気は、熱交換器２５を迂回して吸気バイパス通路３１を流れる。そして、吸気バイパス通路３１を経由した吸気は、過給器１７で加圧された後、インタークーラ２４で冷却され、機関本体１１へ流入する。機関本体１１が高負荷領域にあるとき、燃焼室１９には多量の吸気が吸入される。そのため、吸気は、過給器１７で加圧され、インタークーラ２４で冷却されることにより、密度を高めた状態で機関本体１１へ供給される。

制御装置５０は、これら第一開閉弁４１、第二開閉弁４２、第三開閉弁４３および第六開閉弁４６を開放または閉鎖すると、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５および第七開閉弁４７の開度を設定する（Ｓ３０６）。そして、制御装置５０は、設定した開度に基づいて、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５および第七開閉弁４７の開度を調整する（Ｓ３０７）。すなわち、制御装置５０は、第四開閉弁４４による排気過給器バイパス通路３４の開度、第五開閉弁４５による循環通路３７の開度、および第七開閉弁４７による排気通路２２の開度を設定する。第四開閉弁４４で排気過給器バイパス通路３４の開度を調整することにより、過給器１７による吸気の過給能力が調整される。また、第五開閉弁４５で循環通路３７の開度を調整し、第七開閉弁４７で排気通路２２の開度を調整することにより、吸気へ戻す排気の流量が調整される。特に、高負荷時において吸気へ戻す排気の流量を増加させることにより、燃焼室１９における燃焼温度が低下し、ＮＯｘの低減が図られる。

制御装置５０は、これら各開閉弁の開度の調整とともに、圧力センサ６１、温度センサ６２およびマスフローセンサ６３からそれぞれ検出値を取得する（Ｓ３０８）。制御装置５０は、Ｓ３０８で取得した各検出値、およびＳ１０２で設定した第一燃料の噴射量に基づいて、機関本体１１に吸入される吸気における第一燃料の実際の当量比を実当量比φｒとして算出する（Ｓ３０９）。そして、Ｓ３０９で算出した実当量比φｒがＳ３０１で算出した目標当量比φｄに達しているか否かを判断する（Ｓ３１０）。この場合、実当量比φｒと目標当量比φｄとは、完全に一致する必要はない。すなわち、実当量比φｒは、目標当量比φｄを中心とする予め設定した範囲内にある場合も、目標当量比φｄに達していると判断してもよい。制御装置５０は、実当量比φｒが目標当量比φｄに達していると判断すると（Ｓ３１０：Ｙｅｓ）、図３に示す処理へリターンする。一方、制御装置５０は、実当量比φｒが目標当量比φｄに達していないと判断すると（Ｓ３１０：Ｎｏ）、Ｓ３０６にリターンし、Ｓ３０６以降の処理を繰り返す。これにより、機関本体１１から排出された排気の流れが調整され、実当量比φｒが調整される。

このように、機関本体１１が高負荷領域にあるとき、第一インジェクタ１４は図９に示すように第一燃料を吸気に供給する。すなわち、機関本体１１が高負荷領域にあるとき、機関本体１１の燃焼室１９には十分な量の吸気が吸入され、かつ第一インジェクタ１４から供給される第一燃料の量も十分に増加する。そのため、高負荷領域にあるとき、吸気の当量比φは設定当量比Ｆ２より大きくなる。したがって、高負荷領域にあるとき、制御装置５０は、吸気通路２１を流れる吸気へ第一燃料を供給する。また、高負荷領域にあるとき、機関本体１１の燃焼室１９に吸入される吸気は十分な量に達する。そのため、機関本体１１の圧縮行程において、燃焼室１９の吸気は十分な高温および高圧状態に達する。これにより、第二インジェクタ１５から高温かつ高圧の燃焼室１９の混合気に供給された第二燃料は、自己着火して燃焼する。そして、混合気に含まれる第一燃料は、自己着火する第二燃料を火種として燃焼する。その結果、高負荷領域にあるとき、機関本体１１は、第一燃料および第二燃料によって運転される。

（特定負荷領域）
機関本体１１が特定負荷領域にあると判断されたときのエンジンシステム１０の制御の流れを、図１０に基づいて説明する。
制御装置５０は、図３に示すＳ１０９において機関本体１１が特定負荷領域にあると判断されると、当量比φの目標となる目標当量比φｄを設定する（Ｓ４０１）。目標当量比φｄは、上述の高負荷領域と同様に機関本体１１の運転状態、および第一燃料の燃料噴射量に基づいて設定される。機関本体１１は、特定負荷領域にあるため、目標当量比φｄは可燃限界Ｆ１と設定当量比Ｆ２との間、すなわちＦ１≦φｄ≦Ｆ２である。

制御装置５０は、目標当量比φｄを設定すると、第三開閉弁４３を開放する（Ｓ４０２）。これにより、第三開閉弁４３は、吸気過給器バイパス通路３３を開放する。そのため、吸気は、過給器１７およびインタークーラ２４を迂回して機関本体１１へ吸入される。制御装置５０は、第三開閉弁４３で吸気過給器バイパス通路３３を開放すると、第一開閉弁４１、第二開閉弁４２、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５、第六開閉弁４６および第七開閉弁４７の開度を設定する（Ｓ４０３）。そして、制御装置５０は、設定した開度に基づいて、第一開閉弁４１、第二開閉弁４２、第四開閉弁４４、第五開閉弁４５、第六開閉弁４６および第七開閉弁４７の開度を調整する（Ｓ４０４）。すなわち、制御装置５０は、第一開閉弁４１および第二開閉弁４２の開度を調整することにより、図１１に示すように大気から導入された吸気の少なくとも一部を熱交換器２５へ導入する。また、制御装置５０は、第六開閉弁４６および第七開閉弁４７の開度を調整することにより、機関本体１１から排出された排気の少なくとも一部を熱交換器２５へ導入する。このように、吸気の少なくとも一部を熱交換器２５へ導入するとともに、排気の少なくとも一部を熱交換器２５へ導入することにより、大気から導入された吸気は熱交換器２５において排気によって加熱される。すなわち、大気から導入された吸気と機関本体１１から排出される排気とは、熱交換器２５によって熱交換される。さらに、制御装置５０は、第四開閉弁４４による排気過給器バイパス通路３４の開度、および第五開閉弁４５による循環通路３７の開度を調整する。

制御装置５０は、これら各開閉弁の開度の調整とともに、圧力センサ６１、温度センサ６２およびマスフローセンサ６３からそれぞれの検出値を取得する（Ｓ４０５）。制御装置５０は、Ｓ４０５で取得した各検出値、およびＳ１０２で設定した第一燃料の噴射量に基づいて、機関本体１１に吸入される吸気における第一燃料の実際の当量比を実当量比φｒとして算出する（Ｓ４０６）。そして、Ｓ４０６で算出した実当量比φｒがＳ４０１で算出した目標当量比φｄに達しているか否かを判断する（Ｓ４０７）。この場合、高負荷領域での説明と同様に、実当量比φｒと目標当量比φｄとは、完全に一致する必要はない。制御装置５０は、実当量比φｒが目標当量比φｄに達していると判断すると（Ｓ４０７：Ｙｅｓ）、図３に示す処理へリターンする。一方、制御装置５０は、実当量比φｒが目標当量比φｄに達していないと判断すると（Ｓ４０７：Ｎｏ）、Ｓ４０３にリターンし、Ｓ４０３以降の処理を繰り返す。これにより、機関本体１１から排出された排気の流れが調整され、実当量比φｒが調整される。

このように、機関本体１１が特定負荷領域にあるとき、吸気は熱交換器２５において加熱される。吸気を加熱することにより、吸気は物質量すなわちモル数が変化しないまま体積が増大する。そのため、燃焼室１９へ吸入される加熱された吸気は、体積が同一であれば加熱しない空気に比較して質量が減少する。その結果、吸気に対する第一燃料の供給量が同一であれば、図１２に示すように加熱した吸気における第一燃料の実当量比φｒは加熱しない吸気に比較して大きくなる。これにより、燃焼室１９に吸入される混合気における第一燃料の実当量比φｒは、第一燃料の燃焼に十分な程度まで上昇する。

機関本体１１が特定負荷領域にあるとき、吸気を加熱することにより、第一燃料の実当量比φｒは上昇する。そのため、第一インジェクタ１４は、図１３に示すように第一燃料を吸気へ噴射する。すなわち、機関本体１１が特定負荷領域にあるとき、機関本体１１の燃焼室１９に吸入される吸気の質量が減少し、第一燃料の実当量比φｒが上昇する。その結果、圧縮行程において燃焼室１９で圧縮された混合気に第二インジェクタ１５から第二燃料を噴射すると、第二燃料は自己着火して燃焼する。そして、実当量比φｒが上昇した吸気に含まれる第一燃料は、自己着火した第二燃料を火種として燃焼する。したがって、機関本体１１は、第一燃料および第二燃料によって運転される。

以上説明したように、第１実施形態では、機関本体１１が高負荷領域よりも負荷の小さな特定負荷領域にあるとき、吸気は熱交換器２５において加熱される。吸気を加熱することにより、吸気はモル数が変化しないまま体積が増大する。そのため、燃焼室１９へ吸入される加熱された吸気は、体積が同一であっても、加熱しない空気に比較して質量が減少する。その結果、吸気に対する第一燃料の供給量が同一であれば、加熱した吸気における第一燃料の実当量比φｒは加熱しない吸気に比較して大きくなる。これにより、燃焼室１９に吸入される混合気における第一燃料の実当量比φｒは、第一燃料の燃焼に十分な程度まで上昇する。つまり、熱交換器２５で吸気を加熱することにより、機関本体１１における燃焼行程を間引かなくても、第一燃料の安定的な燃焼を確保可能な領域はより負荷の小さな領域まで拡大される。したがって、振動の発生を低減しつつ、吸気に混合される第一燃料の量が少ない負荷の小さな領域でも安定的な燃焼を確保することができ、連続的な負荷の変更に対応することができる。

また、第１実施形態では、熱交換器２５において吸気を加熱している。そのため、吸気は、機関本体１１から排出される排気で加熱される。したがって、排気の熱を有効に利用することができ、エネルギー効率を高めることができる。

第１実施形態では、吸気通路２１および排気通路２２はそれぞれ熱交換器２５を迂回する吸気バイパス通路３１および排気バイパス通路３２を有している。そのため、熱交換器２５で吸気を加熱しないとき、吸気は吸気バイパス通路３１を経由して機関本体１１へ供給され、排気は排気バイパス通路３２を経由して機関本体１１から排出される。これにより、吸気の加熱が不要なとき、吸気および排気の流路における抵抗が低減される。したがって、熱交換器２５を備える場合でも、機関本体１１の運転状態に応じて吸気および排気の流れを円滑にすることができ、機関本体１１の効率を高めることができる。

第１実施形態では、機関本体１１の負荷に応じて、吸気バイパス通路３１は第一開閉弁４１で開閉され、排気バイパス通路３２は第六開閉弁４６で開閉される。エンジンシステム１０を車両に搭載するとき、機関本体１１は、低負荷領域から高負荷領域まで幅広い領域で連続的に負荷が変動しながら運転される。吸気バイパス通路３１および排気バイパス通路３２をそれぞれ第一開閉弁４１または第六開閉弁４６で開閉することにより、吸気および排気の経路は機関本体１１の負荷に応じて適宜選択される。そのため、吸気の加熱の有無に応じて、吸気および排気の経路は変化する。したがって、機関本体１１の負荷領域に応じて無駄のない吸気および排気の経路を設定することができ、機関本体１１の効率を高めることができる。

第１実施形態では、熱交換器２５は、排気通路２２における排気の流れ方向において酸化触媒２３よりも下流側に設けられている。排気に含まれる未燃焼の第一燃料および第二燃料は、酸化触媒２３で燃焼することにより酸化される。そのため、排気通路２２を流れる排気は、酸化触媒２３を通過することにより温度が上昇する。この温度が上昇した排気を熱交換器２５へ導入することにより、吸気はより効率的に加熱される。したがって、熱交換効率を高めることができる。

第１実施形態では、排気循環部３６を備えている。そのため、機関本体１１から排出された排気の一部は、吸気通路２１へ循環され、吸気に混合される。これにより、吸気の温度は、上昇しやすくなる。したがって、排気を直接混合して吸気を加熱することができ、機関本体１１の効率を高めることができる。

第１実施形態では、過給器１７を迂回する吸気が流れる吸気過給器バイパス通路３３を備えている。この吸気過給器バイパス通路３３には、第三開閉弁４３が設けられている。これにより、吸気は、機関本体１１の運転状態に応じて、過給器１７を迂回する。第１実施形態では、機関本体１１が特定負荷領域にあるとき、吸気は加熱される。加熱された吸気は、質量すなわちモル数が維持されたまま体積の増大が図られる。このように、特定負荷領域では、吸気の密度を低下させることにより、第一燃料の実当量比φｒを可燃限界Ｆ１以上に高めている。そのため、体積の増大を図った吸気が過給器１７を経由すると、圧縮によって体積が減少する。また、加熱された吸気がインタークーラ２４を通過すると、冷却されて体積が減少する。そこで、機関本体１１が特定負荷領域にあり、吸気を加熱するとき、吸気は過給器１７を迂回する吸気過給器バイパス通路３３を経由して機関本体１１へ供給される。これにより、吸気は、増大した体積が維持されたまま機関本体１１へ供給される。したがって、加熱された吸気の経路を確保することができ、特定負荷領域の拡大を図ることができる。

（変形例）
第１実施形態では、吸気の流れ方向において機関本体１１の上流側に加熱ヒータ２６を備えている。例えば排気の温度が低いときなど、特定負荷領域での運転時に熱交換器２５における吸気の加熱が不足することもある。このように熱交換器２５における吸気の加熱が不足するとき、吸気は加熱ヒータ２６で加熱してもよい。この場合、制御装置５０は、温度センサ６２で検出した吸気の温度に基づいて、加熱ヒータ２６への通電を制御する。これにより、機関本体１１へ吸入される吸気の温度は、十分に上昇し、特定負荷領域における第一燃料の実当量比φｒを確実に高めることができる。

一方、エンジンシステム１０の条件によっては、吸気の加熱は熱交換器２５による排気との熱交換で十分なことも考えられる。この場合、加熱ヒータ２６は、必ずしも必要でない。したがって、加熱ヒータ２６の有無は、エンジンシステム１０の性能や構造に応じて設定することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態によるエンジンシステムを図１４に示す。
第２実施形態では、開閉弁の構成が第１実施形態と異なる。第２実施形態の場合、エンジンシステム１０は、図１４に示すように三方弁７１、三方弁７２および三方弁７３を備えている。三方弁７１は、吸気の流れ方向において熱交換器２５の上流側に設けられ、吸気の経路を熱交換器２５側または吸気バイパス通路３１側へ切り換える。また、三方弁７２は、排気の流れ方向において熱交換器２５の上流側に設けられ、排気の経路を熱交換器２５側または排気バイパス通路３２側へ切り換える。同様に、三方弁７３は、排気の流れ方向において熱交換器２５の下流側に設けられ、排気の経路を熱交換器２５側または排気バイパス通路３２側へ切り換える。
第２実施形態では、三方弁７１、７２、７３を用いることにより、弁の設置数を低減することができ、構造をより簡略化することができる。

（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば、吸気を加熱する加熱手段は、熱交換器に限らない。すなわち、熱交換器に代えて、図１５に示すように吸気通路２１に加熱ヒータ８０を設ける構成としてもよい。この場合、加熱ヒータ８０は、図１に示す熱交換器２５に相当する位置に設けてもよく、図１に示す加熱ヒータ２６に相当する位置に設けてもよい。

図面中、１０はエンジンシステム（複合燃料内燃機関）、１１は機関本体、１４は第一インジェクタ（第一燃料噴射手段）、１５は第二インジェクタ（第二燃料噴射手段）、１７は過給器、１８は吸気加熱部（吸気加熱手段）、１９は燃焼室、２１は吸気通路、２２は排気通路、２３は酸化触媒、２５は熱交換器（吸気加熱手段）、２６は加熱ヒータ（吸気加熱手段）、３１は吸気バイパス通路、３２は排気バイパス通路、３３は吸気過給器バイパス通路（過給器バイパス通路）、３６は排気循環部（排気混合手段）、４１は第一開閉弁（吸気バイパス開閉手段）、４３は第三開閉弁（開閉手段）、４６は第六開閉弁（排気バイパス開閉手段）、５２は可燃限界判断部（可燃限界判断手段）、５３は第一インジェクタ駆動部（駆動手段）、５５は負荷領域判断部（負荷領域判断手段）、８０は加熱ヒータ（吸気加熱手段）を示す。

Claims (3)

1. 複数の燃焼室（１９）を形成する機関本体（１１）と、
   前記機関本体（１１）に接続する吸気通路（２１）を流れる吸気に自ら着火しない天然ガスを予め供給する天然ガス噴射手段（１４）と、
   前記燃焼室（１９）に吸入された吸気へ自ら着火する軽油を供給する軽油噴射手段（１５）と、
   前記吸気通路（２１）を流れる吸気に対する前記天然ガスの当量比の目標値が、前記燃焼室（１９）における前記天然ガスの燃焼に十分な可燃限界以上であるか否かを判断する可燃限界判断手段（５２）と、
   前記可燃限界判断手段（５２）において前記天然ガスの当量比の目標値が前記可燃限界以上であると判断すると、前記天然ガス噴射手段（１４）を駆動して前記吸気へ前記天然ガスを供給する駆動手段（５３）と、
   前記機関本体（１１）の負荷を取得して、前記機関本体（１１）が予め設定された特定負荷領域にあるか否かを判断する負荷領域判断手段（５５）と、
   前記吸気通路（２１）を流れる吸気と前記機関本体（１１）に接続する排気通路（２２）を流れる排気との間で熱交換するとともに、前記排気通路（２２）における排気の流れ方向において前記排気を酸化する酸化触媒（２３）よりも下流側に設けられ、前記駆動手段（５３）により前記吸気へ前記天然ガスを供給するとき、前記負荷領域判断手段（５５）で前記機関本体（１１）が前記特定負荷領域にあると判断されると、前記吸気通路（２１）を経由して前記燃焼室（１９）へ吸入される吸気を加熱する吸気加熱手段（１８）と、を備え、
   前記吸気通路（２１）は、前記吸気加熱手段（１８）を迂回する吸気バイパス通路（３１）を有し、
   前記排気通路（２２）は、前記吸気加熱手段（１８）を迂回する排気バイパス通路（３２）を有し、
   前記吸気加熱手段（１８）は、前記吸気通路（２１）における吸気の流れ方向において前記機関本体（１１）の上流側に、通電によって吸気を加熱するヒータ（２６、８０）を有するとともに、
   前記負荷領域判断手段（５５）で判断された前記機関本体（１１）の負荷に応じて、前記吸気バイパス通路（３１）を開閉する吸気バイパス開閉手段（４１）と、前記排気バイパス通路（３２）を開閉する排気バイパス開閉手段（４６）と、を備える複合燃料内燃機関。
2. 前記機関本体（１１）に接続する排気通路（２２）を流れる排気を、前記吸気通路（２１）を流れる吸気に混合する排気混合手段（３６）をさらに備える請求項１記載の複合燃料内燃機関。
3. 前記機関本体（１１）に接続する排気通路（２２）における排気の流れによって前記吸気通路（２１）を流れる吸気を加圧する過給器（１７）と、
   前記吸気通路（２１）において前記過給器（１７）を迂回する過給器バイパス通路（３３）と、
   前記過給器バイパス通路（３３）を開閉可能であって、前記吸気加熱手段（１８）で前記燃焼室（１９）へ吸入される吸気を加熱するとき、前記過給器バイパス通路（３３）を開放して前記吸気加熱手段（１８）で加熱された吸気を前記過給器バイパス通路（３３）へ導入する開閉手段（４３）と、
   をさらに備える請求項１または２記載の複合燃料内燃機関。

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