JPH0763128A - エンジンの混合気成層方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】水素の添加量に応じて、より高い燃費の向上効
果が得られるエンジンの混合気成層方法を提供する。 【構成】所定の運転条件において、点火プラグの周辺に
気体燃料を添加する様にしたエンジンの混合気成層方法
であって、気体燃料の添加時には、液体燃料と空気との
混合気を、エンジンの気筒内において点火プラグの周辺
の部分よりも点火プラグから遠い部分の方がリッチとな
る様に分布させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体燃料と気体燃料を
併用するエンジンの混合気成層方法及びその装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、大気を汚染しにくいクリーンなエ
ネルギー源として水素が注目されてきており、水素を燃
料とする車両用のエンジンが開発されてきている。この
ような水素を燃料とするエンジンとしては、エンジンの
吸気管に水素を噴射して水素と空気の混合気をエンジン
の気筒内に導入するものと、例えば特開昭６３−１９８
７６２号に開示されている様に、空気を供給する吸気管
とは別系統に設けられた燃料供給通路から、気筒内に水
素を直接噴射するものとが知られている。

【０００３】ところで、このような水素のみを燃料とす
るエンジンが開発されている一方で、従来のガソリンを
燃料とするエンジンにおいて、ガソリンと空気の混合気
に所定量の水素を添加して燃焼させることにより、燃費
を向上させようとする試みがなされている。水素は着火
性が良いので、ガソリンと空気の混合気に水素を添加す
ることにより、従来着火性の点から規定されていた混合
気のリーンリミットを向上させることが可能となり、燃
費を向上させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、着火性
の向上を図るためには、着火性の良い水素を点火プラグ
の周辺に集中させることが好ましいが、上記の従来技術
においては、水素は単に吸気管に噴射されて燃料と混合
されるのみであったため、水素は気筒内において拡散し
てしまい、着火性向上への寄与率が低いという問題点が
あった。一方、水素の添加によって着火性が向上するこ
とにより、混合気内のガソリンの濃度を薄くする（リー
ンにする）ことができるのであるが、混合気をリーンに
すると着火性の問題とは別に、気筒内の点火プラグから
離れた部分への火炎伝播が悪くなり、未燃ガスが増加す
るという問題点がある。このように、従来技術において
は上記の様な２つの問題があることから、水素の添加量
に比較して、燃費の向上効果が期待する程には得られな
いという問題点があった。

【０００５】従って、本発明は上述した課題に鑑みてな
されたものであり、その目的は、水素の添加量に応じ
て、より高い燃費の向上効果が得られるエンジンの混合
気成層方法及びその装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明のエンジンの混合気成層方
法は、所定の運転条件において、点火プラグの周辺に気
体燃料を添加する様にしたエンジンの混合気成層方法で
あって、前記気体燃料の添加時には、液体燃料と空気と
の混合気を、エンジンの気筒内において前記点火プラグ
の周辺の部分よりも前記点火プラグから遠い部分の方が
リッチとなる様に分布させることを特徴としている。

【０００７】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層方法において、前記気体燃料の非添加時には、前記
液体燃料と空気との混合気を、前記気筒内において前記
点火プラグの周辺の部分よりも前記点火プラグから遠い
部分の方がリーンとなる様に分布させることを特徴とし
ている。

【０００８】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層方法において、前記液体燃料をインジェクタにより
噴射するタイミングを変更することによって、前記気筒
内での混合気の濃度分布を変更することを特徴としてい
る。

【０００９】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層方法において、前記液体燃料は前記エンジンの吸気
ポートに対応して配設された液体燃料用インジェクタか
ら噴射され、前記気体燃料は前記気筒に対応して配設さ
れた気体燃料用インジェクタから噴射されることを特徴
としている。

【００１０】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層方法において、前記液体燃料は前記エンジンの吸気
ポートに対応して配設された第１の液体燃料用インジェ
クタと前記吸気ポートよりも下流側の吸気マニホールド
に対応して配設された第２の液体燃料用インジェクタと
から噴射され、前記第１の液体燃料用インジェクタの噴
射量と前記第２の液体燃料用インジェクタの噴射量の比
率を変更することにより、前記気筒内での混合気の濃度
分布を変更することを特徴としている。

【００１１】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層方法において、前記気体燃料の添加量に応じて前記
第１の液体燃料用インジェクタの噴射量と前記第２の液
体燃料用インジェクタの噴射量とを変更することを特徴
としている。

【００１２】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層方法において、前記気体燃料は水素であることを特
徴としている。

【００１３】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層方法において、前記水素は改質触媒を用いて前記液
体燃料から生成されることを特徴としている。

【００１４】また、この発明に係わる混合気成層方法に
おいて、前記改質触媒が活性化されていない状態におい
ては、前記水素の前記液体燃料への添加を停止すること
を特徴としている。

【００１５】また、本発明のエンジンの混合気成層装置
は、所定の運転条件において、点火プラグの周辺に気体
燃料を添加する様にしたエンジンの混合気成層装置であ
って、エンジンの気筒に接続された吸気ポートに設けら
れ、液体燃料を噴射するための液体燃料用インジェクタ
と、前記気筒に対応して設けられ、前記気体燃料を前記
点火プラグの周辺に噴射するための気体燃料用インジェ
クタと、該気体燃料用インジェクタから前記気体燃料を
前記気筒内に供給している状態において、前記液体燃料
と空気との混合気が前記点火プラグの周辺の部分よりも
前記点火プラグから遠い部分の方がリッチとなる様に前
記液体燃料用インジェクタの燃料噴射動作を制御する制
御手段とを具備することを特徴としている。

【００１６】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層装置において、前記制御手段は、前記気体燃料用イ
ンジェクタから前記気体燃料が前記気筒内に供給されて
いない状態において、前記液体燃料と空気との混合気が
前記点火プラグの周辺の部分よりも前記点火プラグから
遠い部分の方がリーンとなる様に前記液体燃料用インジ
ェクタの燃料噴射動作を制御することを特徴としてい
る。

【００１７】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層装置において、前記制御手段は、前記液体燃料用イ
ンジェクタの噴射タイミングを変更させることにより、
前記混合気の濃度分布を変更することを特徴としてい
る。

【００１８】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層装置において、前記液体燃料用インジェクタは、吸
気ポートの上流側に設けられた第１の液体燃料用インジ
ェクタと、該第１の液体燃料用インジェクタよりも下流
側に設けられた第２の液体燃料用インジェクタとからな
り、前記制御手段は、前記第１の液体燃料用インジェク
タの噴射量と前記第２の液体燃料用インジェクタの噴射
量の比率を変更させることにより、前記混合気の濃度分
布を変更することを特徴としている。

【００１９】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層装置において、前記制御手段は、前記気体燃料の前
記気筒内への供給量に応じて、前記第１の液体燃料用イ
ンジェクタの噴射量と前記第２の液体燃料用インジェク
タの噴射量の比率を変更させることを特徴としている。

【００２０】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層装置において、前記気体燃料は水素であることを特
徴としている。

【００２１】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層装置において、前記水素を前記液体燃料から生成す
るための改質触媒を更に具備することを特徴としてい
る。

【００２２】また、この発明に係わるエンジンの混合気
成層装置において、前記制御手段は、前記改質触媒が活
性化していない状態において、前記気体燃料用インジェ
クタの噴射動作を停止させることを特徴としている。

【００２３】

【作用】以上の様に、この発明に係わるエンジンの混合
気成層方法及びその装置は構成されているので、着火性
の良い気体燃料を点火プラグの周辺に集中して供給する
と共に、液体燃料と空気の混合気を点火プラグから離れ
る程リッチにすることにより、燃料の着火性の向上と火
炎伝播性の向上とを同時に図ることができ、高い燃費向
上効果が得られる。

【００２４】また、気体燃料を気筒内に供給しない状態
においては、点火プラグの周辺の混合気をリッチにし、
点火プラグから離れる程リーンにすることにより、着火
性の低下を防止しつつ燃費の向上を図ることができる。

【００２５】また、吸気ポートに配設されたインジェク
タの噴射タイミングを変更することにより混合気の分布
を変更する様にしているので、インジェクタの噴射タイ
ミングを変更するという簡単な制御の変更により、混合
気の分布状態をエンジンの運転状態に合わせて容易に変
更することができる。

【００２６】また、吸気ポートの上流側に配設された第
１の液体燃料用インジェクタの噴射量と下流側に配設さ
れた第２の液体燃料用インジェクタの噴射量の比率を変
更することにより混合気の分布を変更する様にしている
ので、インジェクタの噴射量を変更するという簡単な制
御の変更により、混合気の分布状態をエンジンの運転状
態に合わせて容易に変更することができる。

【００２７】また、気体燃料としての水素の供給量に応
じて第１の液体燃料用インジェクタの噴射量と第２の液
体燃料用インジェクタの噴射量の比率を変更することに
より、水素の供給量に応じて着火性と火炎伝播性とを最
適なバランスで両立させることができる。

【００２８】また、水素を改質触媒により液体燃料から
生成する様にしているので、水素用のタンクを特別に用
意する必要がなく、車両のスペース効率を向上させるこ
とができる。

【００２９】また、改質触媒が活性化していない状態で
は、気筒内への水素の供給を停止する様にしているの
で、誤動作を防止することができる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の好適な一実施例について、添
付図面を参照して詳細に説明する。

【００３１】本実施例は、例えば自動車用の直列４気筒
エンジンに本願発明を適用した場合の一例である。

【００３２】先ず図１は、同本願発明の実施例に係るエ
ンジンの混合気成層装置の全体的なシステム構成を示す
ものである。また、図２はエンジンの各シリンダの点火
プラグ周辺部分の側断面図である。

【００３３】図１において、先ず符号１はエンジン本体
であり、吸入空気はエアクリーナ３０を介して外部より
吸入され、その後エアフロメータ２、スロットルチャン
バ３、吸気ポート４、吸気マニホールド５ａ〜５ｄを経
て各シリンダに供給される。ここで、本願の特徴的な部
分について説明すると、各シリンダには、液体燃料であ
るガソリンと気体燃料である水素とが供給される様に構
成されている。ガソリンは不図示のガソリンタンクから
燃料ポンプにより吸い上げられて、液体燃料供給通路６
に供給される。液体燃料供給通路６は、その先端部が第
１供給通路６ａと第２供給通路６ｂとに分かれており、
第１供給通路６ａの先端部には、吸気ポート４のスロッ
トル弁６の直下流側にガソリンを噴射するための第１イ
ンジェクタ７が接続されている。また、第２供給通路６
ｂの先端部には、各吸気マニホールド５ａ〜５ｄ内にガ
ソリンを噴射するための第２インジェクタ８ａ〜８ｄが
接続されている。これら第１インジェクタ７と第２イン
ジェクタ８ａ〜８ｄによって吸気通路内にガソリンを噴
射することにより、空気とガソリンとが混合された混合
気が各シリンダ内に導入される。

【００３４】なお、車両走行時等のアクセルペダル（不
図示）の操作時における上記シリンダへの吸入空気の量
は、上記スロットルチャンバ３内に設けられているスロ
ットル弁６によって制御される。スロットル弁６は、上
記アクセルペダルに連動して操作され、減速走行状態及
びアイドル運転領域では、最小開度状態に維持される。
そして、該最小（全閉）開度状態では、アイドルスイッ
チＩＤ・ＳＷ（不図示）が付勢されて、アイドル状態を
示す信号がＯＮになり、この信号により後述のＥＣＵ
（エンジン・コントロール・ユニット）４０はアイドル
状態を検知することができる。なお、スロットル弁６は
アクセルペダルに機械的に連結されるものではなく、不
図示のモータにより駆動され、このモータの駆動はＥＣ
Ｕ４０により制御される。従って、スロットル弁６の開
度はアクセルペダルの踏み込み量に直線的に追従するも
のではなく、アクセルペダルの踏み込み量に対して所定
の関数をかけた状態でＥＣＵ４０により制御される。

【００３５】一方、各シリンダの上部には、気体燃料と
しての水素（Ｈ₂ ）をシリンダ内に噴射するための第３
インジェクタ９ａ〜９ｄが配設されている。ここで、こ
の実施例においては、第３インジェクタ９ａ〜９ｄに供
給される水素は、液体燃料であるガソリンから生成され
る。このガソリンから水素を生成する構成について説明
すると、第３インジェクタ９ａ〜９ｄに水素を供給する
ための水素供給通路１０の末端部には外部から空気を取
り入れるための空気取り入れ口１１が配置されている。
ここから取り入れられた空気はエアクリーナ１２と開閉
弁１３とを介してターボチャーヂャー１４に供給され
る。そして、この空気はターボチャーヂャー１４によっ
て所定の圧力まで昇圧され、更に水素供給通路１０の中
間部において、ガソリンタンクから吸い上げられたガソ
リンと、不図示の水タンクから吸い上げられた水が混入
され、これらの混合気が改質触媒１５に導かれる。改質
触媒１５では周知の作用により、ガソリンと水と空気と
の混合気から水素が生成され、この水素はサージタンク
１６に導入される。なお、改質触媒１５は、３００°Ｃ
程度に暖められることにより活性化し水素を発生させる
働きをするので、排気ガスにより暖められる様に、後述
する排気管１８内に配置されている。

【００３６】ここで、ターボチャーヂャー１４によって
水素供給通路１０内の圧力、すなわち水素の圧力を昇圧
する理由について説明しておく。水素はガソリンに比較
して着火性が良いので、本実施例ではリーンバーンのと
きに混合気の着火性を向上させるために使用される。そ
のため、水素は点火プラグ２０（図２参照）の周辺に集
中して供給されることが好ましい。本実施例では、水素
をシリンダ内で拡散させないで点火プラグ２０の周辺に
集中させるために、ピストンの圧縮工程において、第３
インジェクタ９ａ〜９ｄから点火プラグの周辺に水素を
噴射する様にしている。圧縮工程において水素をシリン
ダ内に導入するためにはシリンダ内の圧力よりも高い圧
力で水素を送り込む必要があり、この圧力を発生させる
ために、ターボチャーヂャー１４を使用しているわけで
ある。

【００３７】改質触媒１５からサージタンク１６に導か
れた水素は、上記の様にターボチャーヂャー１４により
シリンダ内の圧力よりも十分に高い圧力まで昇圧されて
いるので、この水素の圧力を減圧弁１７により適正圧力
まで減圧させる。そして、この減圧された水素が第３イ
ンジェクタ９ａ〜９ｄからシリンダ内に噴射されるわけ
である。

【００３８】次に、符号１８は、例えば排気通路途中に
３元触媒コンバータ（キャタリストコンバータ）１９を
備えた排気ガス浄化機能を持った排気管を示している。
そして、該排気管１８の上記３元触媒コンバータ１９の
上流部には、排気ガス中の酸素濃度（空燃比Ａ／Ｆ）を
検出するためのＯ2 センサーＳ1 が設けられている。ま
た、Ｏ2 センサーＳ１の更に上流側にはターボチャーヂ
ャー１４のタービンが設けられている。

【００３９】また、エンジン本体１には、ノッキング状
態の発生を検出するための図示しないノックセンサが設
けられている。

【００４０】そして、エンジン運転時の空燃比（Ａ／
Ｆ）はＥＣＵ４０における電子燃料噴射制御装置側の空
燃比制御システムにおいて、例えば上記エアフロメータ
２等の出力値Ｑとエンジン回転数Ｎe とに基づいて先ず
基本燃料噴射量ＴP を決定する一方、さらに上記Ｏ2 セ
ンサーＳ1 を用いて実際の排ガス中の空燃比（Ａ／Ｆ）
を検出し、該検出値と設定された目標空燃比との偏差に
応じて上記基本燃料噴射量ＴP をフィードバック補正す
ることによって、常に設定空燃比（一般には理論空燃比
Ａ／Ｆ＝１４．７近傍の値）に維持するようなシステム
が採用されている。

【００４１】従って、該空燃比のコントロールシステム
における最終燃料噴射量ＴO の一般的な算出システム
は、図３のようになる（後述）。

【００４２】一方、図２において符号２０は、上記エン
ジン本体１のシリンダヘッド部に設けられた点火プラグ
であり、該点火プラグ２０には不図示のディストリビュ
ータ、イグナイタを介して所定の点火電圧が印加される
ようになっており、その印加タイミング、すなわち点火
時期は上記ＥＣＵ４０より上記イグナイタに供給される
点火時期制御信号θIgt によってコントロールされる。

【００４３】また、前述した様に水素をシリンダ内に供
給するための第３インジェクタ９ａ〜９ｄは、その先端
部を点火プラグ２０の先端部に向けた状態でシリンダヘ
ッドに配設されており、点火プラグ２０の先端部の周辺
に水素を噴射する様になされている。

【００４４】ＥＣＵ４０は、例えば演算部であるマイク
ロコンピュータ（ＣＰＵ）を中心とし、吸入空気量Ｑを
検出する回路、燃料噴射量や点火時期等を演算する回
路、燃料のオクタン価を判定する回路、メモリ（ＲＯＭ
及びＲＡＭ）、インタフェース（Ｉ／Ｏ）回路などを備
えて構成されている。そして、このＥＣＵ４０の上記イ
ンタフェース回路には上述の各検出信号の他に例えば図
示しないスタータスイッチからのエンジン始動信号（Ｅ
ＣＵトリガー）、エンジン回転数センサ２１からのエン
ジン回転数検出信号Ｎe 、水温サーミスタ２２により検
出されたエンジンの冷却水温度の検出信号ＴW 、スロッ
トル開度センサ２３により検出されたスロットル開度検
出信号ＴＶＯ、エアフロメータ２によって検出された吸
入空気量検出信号Ｑ等のエンジンコントロールに必要な
各種の検出信号が各々入力されるようになっている。

【００４５】そして、ＥＣＵ４０は、例えば図３に示す
ような運転領域に応じた燃料噴射量の補正制御を行うよ
うになっている。

【００４６】次に、上記ＥＣＵ（エンジン・コントロー
ル・ユニット）４０によるエンジンへの燃料供給制御の
内容について図３のフローチャートを参照して詳細に説
明する。

【００４７】先ず、図３は同燃料供給制御の基本ルーチ
ンを示している。

【００４８】すなわち、先ずステップＳ１で、エンジン
水温Ｔw 、吸気量Ｑ、吸気温ＴA 、大気圧ＰA 、エンジ
ン回転数Ｎe 等のエンジンの運転領域を示す各種の運転
データを読み込む。

【００４９】そして、次にステップＳ２で、上記吸気量
Ｑとエンジン回転数Ｎe とに基いて基本となる燃料噴射
量Ｔp を演算する。その後、ステップＳ３〜ステップＳ
７で、吸気温補正（補正係数ＣA ）、大気圧補正（補正
係数Ｃp ）、暖機増量（補正係数Ｃw ）、加減速補正
（補正係数ＣAC）、高負荷増量（補正係数ＣL ）等の運
転領域に対応した個別の燃料補正を行なった後、さらに
ステップＳ８で上述したＯ2 センサ出力に基くＡ／Ｆの
フィードバック補正を行なう。

【００５０】そして、ステップＳ９→ステップＳ１０に
進み、燃料噴射のための無効噴射時間、燃料カット気筒
を各々設定して、ステップＳ１１で最終燃料噴射量ＴF
を設定する。

【００５１】そして、該設定された最終燃料噴射量ＴF
に対応したデューティー比の駆動パルスで上記第１及び
第２インジェクタ７，８ａ〜８ｄを駆動してエンジンに
燃料を噴射する。

【００５２】次に、本願の特徴的な部分であるガソリン
に対する水素添加動作について説明する。図４は、横軸
にエンジン回転数をとり、縦軸にトルクをとった場合
の、空燃比マップ及び水素添加量マップを示したもので
ある。

【００５３】図４（ａ）に示す様にエンジンが高回転高
トルクの運転状態にある領域においては、通常の理想的
な空燃比Ａ／Ｆ＝１４．７となる様に空燃比制御がなさ
れる。一方、低回転低トルクの領域においては、燃費を
向上させるために、トルクと回転数に応じて、空燃比を
リーン側にシフトさせる。このとき、エンジンの回転数
が低回転である場合には、点火サイクルが長くなるの
で、着火性の悪さが補われるため、空燃比をよりリーン
にすることができる。そのため、図示した様に低回転域
程リーンとなる様な空燃比のマップが設定されている。

【００５４】一方、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した
各運転領域におけるガソリンに対する添加水素の質量比
を示した図である。このマップに示す様に、空燃比Ａ／
Ｆ＝１４．７の領域においては、混合気への着火性が問
題とはならないので、水素の添加は行わない。一方、リ
ーンバーンを行う領域においては、図示した様な質量比
で水素をガソリンに添加する。すなわち、エンジンの低
回転域においては、上記の様に点火サイクルが長くなる
ことにより着火性の悪さが補われるため、水素の添加量
も少なくする。また、エンジンの高回転域においては、
点火サイクルが短くなるため、着火性の向上を図るため
に水素の添加量を増加させる。このように、エンジンの
運転状態に応じて水素の添加量を変更することにより、
水素を少ない消費量で有効に利用することができる。

【００５５】次に運転領域に応じて混合気に水素を添加
する手順について図５に示すフローチャートを参照して
説明する。

【００５６】まず、プログラムがスタートすると、ステ
ツプＳ２０において、エンジン水温Ｔw 、吸気量Ｑ、吸
気温ＴA 、大気圧ＰA 、エンジン回転数Ｎe 等のエンジ
ンの運転領域を示す各種の運転データを読み込む。

【００５７】次に、ステツプＳ２１でエンジンを始動し
てから所定時間が経過したか否かを判断する。これは、
水素を発生させるための改質触媒１５が３００°Ｃ程度
まで暖められて活性化されるまでに２〜３分程度の時間
を必要とするためである。すなわち、改質触媒１５が活
性化されるまでは水素が生成されないので、それまでの
間は第３インジェクタ９ａ〜９ｄからの水素の噴射を停
止する。

【００５８】従って、ステツプＳ２１で所定時間が経過
していない場合にはステツプＳ２３に進み水素の噴射量
を０に設定する。

【００５９】ステツプＳ２１で所定時間が経過し、改質
触媒１５が活性化されたとみなされた場合には、ステツ
プＳ２２に進み、図４（ｂ）に示すマップに基づいて水
素の噴射量を設定する。

【００６０】ステツプＳ２４では、圧縮工程であるか否
かを判断する。これは、圧縮工程で水素を噴射すること
により、水素を点火プラグ２０付近に集中させ、シリン
ダ全体に分散してしまうことを防止するためである。

【００６１】ステツプＳ２４で圧縮工程でなかった場合
にはそのままリターンする。また、ステツプＳ２４で圧
縮工程であった場合には、ステツプＳ２２またはステツ
プＳ２３で設定した水素噴射量に基づいて第３インジェ
クタ９ａ〜９ｄから水素を噴射し、リターンする。

【００６２】次に、図６は、水素を添加する場合の水素
量と点火タイミングの関係を示した図である。水素を添
加した場合には、着火性が良くなりそれに伴って気筒内
への火炎伝播速度が早くなるので、図６に示す様に水素
の添加量が増加するにつれて点火時期を遅らせる様に制
御する。

【００６３】図７は、水素添加量と空燃比Ａ／Ｆの関係
を示した図である。水素の添加により燃料への着火性が
向上するので、水素の添加量を増加するにつれて、図示
した様に空燃比Ａ／Ｆをリーン側にシフトさせる。逆に
言えば、空燃比Ａ／Ｆをリーン側にシフトさせるにつれ
て、着火性の低下を補うために水素添加量を増加させ
る。また、着火性の向上効果は、水素の添加量を増加さ
せる程向上するものではなく、あるところで頭打ちとな
るため、水素の添加量はある一定値に漸近する様に増加
させる。

【００６４】図８は、水素添加量とスロットル開度の関
係を示した図である。水素の添加量を増加させた場合、
それに伴って空燃比Ａ／Ｆを単純にリーン側にシフトさ
せると、燃料が少なくなることによりエンジンの出力ト
ルクが減少する。そのため、水素添加量を増加させるに
つれてＥＣＵ４０により、アクセルの踏み込み量が同じ
でもスロットル弁６をより開く様に制御する。ここで、
スロットル弁６を開くことは、それに応じて燃料噴射量
も増加されることを意味するので、水素を添加して空燃
比をリーンにすることによる燃費向上効果が相殺されて
しまう様に思えるが、実際には、スロットル弁６を開く
ことによりピストンのポンピングロス等の負荷が軽減さ
れることとなり、結果的には燃費向上効果が得られるも
のである。

【００６５】次に、図９（ａ），図９（ｂ）は、水素を
添加する場合と水素を添加しない場合のシリンダ内にお
けるガソリンの濃度分布を示した図である。図９（ａ）
に示す様にリーンバーンにおいて水素を添加しない場合
には、着火性を向上させるために、点火プラグ２０の付
近をリッチにし、点火プラグ２０から離れる程リーンに
する。一方、本実施例の様に水素を添加する場合には、
点火プラグ２０付近の水素により混合気への着火性が向
上されるので、シリンダ内のガソリンの濃度分布を図９
（ａ）の場合とは逆に点火プラグ２０から離れる程リッ
チにする。このように、点火プラグ２０から離れる程混
合気をリッチにすることにより、リーンバーンにおける
火炎の伝播性の低下が防止される。従って、水素を添加
し、点火プラグ２０から離れる程混合気をリッチにする
ことにより、ガソリンへの着火性の向上と、火炎の伝播
性の向上を図ることができ、結果として、図９（ａ）の
場合に比較して、図９（ｂ）の場合の方が空燃比Ａ／Ｆ
をよりリーンにすることが可能となる。

【００６６】次に、上記の図９（ｂ）の様に、シリンダ
内で混合気を点火プラグ２０から遠い程リッチに分布さ
せる方法の幾つかの例について説明する。

【００６７】図１０は、この方法の第１の例を示したも
のであり、第２インジェクタ８ａ〜８ｄの噴射タイミン
グを水素の添加量に応じて早めようとするものである。
図１１は、第２インジェクタ８ａ〜８ｄの噴射タイミン
グと点火プラグ２０周辺の空燃比Ａ／Ｆの関係を示した
ものであるが、図示した様に、ピストンが上死点から８
０°程度進んだ位置においてガソリンを噴射すると、点
火プラグ２０周辺の空燃比Ａ／Ｆが最もリッチになる。
そして、それよりも噴射タイミングを早めても遅くして
も点火プラグ２０周辺の空燃比Ａ／Ｆはリーンになる。
これは、噴射タイミングを早くすると、シリンダの容積
が膨張し始める時にすでにガソリンが噴射されることと
なるので、シリンダの容積膨張に伴ってシリンダ内全体
に燃料が分散され易くなるためである。また、噴射タイ
ミングを遅らせると、ガソリンが噴射された時には、シ
リンダの容積が最大に近い状態となっているので、ガソ
リンを含む混合気をシリンダ内に導入する負圧がほとん
どなくなっており、プラグ回りの空燃比Ａ／Ｆはやはり
リーンになる。

【００６８】従って、図１１に照らし合わせて考える
と、点火プラグ２０の付近の空燃比Ａ／Ｆをリーンにし
て点火プラグ２０から離れた部分をリッチにするために
は、第２インジェクタ８ａ〜８ｄの噴射タイミングを早
めれば良いことが分かる。そして、この噴射タイミング
を図１０に示す様に、水素の添加量を増加させるにつれ
て早める様にすれば、水素の添加量に適した混合気の濃
度の分布状態が得られることとなる。

【００６９】次に、図１２に示すフローチャートを参照
して、インジェクタの噴射タイミングを早めて混合気の
濃度分布を制御する手順について説明する。

【００７０】まず、プログラムがスタートすると、ステ
ツプＳ３０において、エンジン水温Ｔw 、吸気量Ｑ、吸
気温ＴA 、大気圧ＰA 、エンジン回転数Ｎe 等のエンジ
ンの運転領域を示す各種の運転データを読み込む。

【００７１】次にステツプＳ３１〜ステツプＳ３３にお
いて、図３に示す様な手順に従ってガソリンの噴射パル
スを演算する。

【００７２】次に、ステツプＳ３４でエンジンを始動し
てから所定時間が経過したか否かを判断する。これは、
水素を発生させるための改質触媒１５が３００°Ｃ程度
まで暖められて活性化されるまでに２〜３分程度の時間
を必要とするためである。すなわち、改質触媒１５が活
性化されるまでは水素が生成されないので、それまでの
間は第３インジェクタ９ａ〜９ｄからの水素の噴射を停
止する。

【００７３】従って、ステツプＳ３４で所定時間が経過
していない場合にはステツプＳ３６に進み、水素を添加
しない場合の所定のガソリン噴射タイミング（具体的に
は吸気工程後半のタイミング）を設定する。

【００７４】ステツプＳ３４で所定時間が経過し、改質
触媒１５が活性化されたとみなされた場合には、ステツ
プＳ３５に進み、第３インジェクタ９ａ〜９ｄの水素噴
射量に応じた第２インジェクタ８ａ〜８ｄの噴射タイミ
ングを図１０に示すグラフに基づいて設定する。

【００７５】次にステツプＳ３７で噴射タイミングであ
るか否かを判断し、噴射タイミングでなければそのまま
リターンし、噴射タイミングであればステツプＳ３８で
第２インジェクタ８ａ〜８ｄからガソリンを所定量噴射
してリターンする。

【００７６】次に、図１３は、シリンダ内の混合気の濃
度分布を制御するための第２の方法を示す図である。本
実施例においては、吸気通路の上流側に位置する第１イ
ンジェクタ７と吸気通路の下流側に位置する第２インジ
ェクタ８ａ〜８ｄとを備えているが、上流側の第１イン
ジェクタ７からガソリンを多く噴射すると、空気との混
合状態が均一化されるため、シリンダ内の混合気の濃度
が点火プラグ２０から離れた位置でリッチになり易くな
る。従って、図１３に示す様に、水素の添加量が増加す
るにつれて上流側の第１インジェクタ７から多くガソリ
ンを噴射することにより点火プラグ２０の周辺の混合気
をリーンに、点火プラグ２０から離れた部分の混合気を
リッチにする作用が得られる。

【００７７】次に、上記の第１インジェクタ７と第２イ
ンジェクタ８ａ〜８ｄにより燃料を噴射する手順につい
て図１４に示すフローチャートを参照して説明する。

【００７８】まず、プログラムがスタートすると、ステ
ツプＳ４０において、エンジン水温Ｔw 、吸気量Ｑ、吸
気温ＴA 、大気圧ＰA 、エンジン回転数Ｎe 等のエンジ
ンの運転領域を示す各種の運転データを読み込む。

【００７９】次にステツプＳ４１〜ステツプＳ４３にお
いて、図３に示す様な手順に従ってガソリンの噴射パル
スを演算する。

【００８０】次に、ステツプＳ４４でエンジンを始動し
てから所定時間が経過したか否かを判断する。これは、
水素を発生させるための改質触媒１５が３００°Ｃ程度
まで暖められて活性化されるまでに２〜３分程度の時間
を必要とするためである。すなわち、改質触媒１５が活
性化されるまでは水素が生成されないので、それまでの
間は第３インジェクタ９ａ〜９ｄからの水素の噴射を停
止する。

【００８１】従って、ステツプＳ４４で所定時間が経過
していない場合にはステツプＳ４６に進み、第１インジ
ェクタ７と第２インジェクタ８ａ〜８ｄの噴射比率を通
常の水素を添加しない場合の噴射比率に設定する。

【００８２】ステツプＳ４４で所定時間が経過し、改質
触媒１５が活性化されたとみなされた場合には、ステツ
プＳ４５に進み、第１インジェクタ７と第２インジェク
タ８ａ〜８ｄの噴射比率を図１３に基づいて水素添加量
に応じた比率に設定する。

【００８３】そして、ステツプＳ４７，ステツプＳ４８
で、ステツプＳ４５で設定した噴射比率に従って、上流
側の第１インジェクタ７と下流側の第２インジェクタ８
ａ〜８ｄからガソリンを噴射させてリターンする。

【００８４】次に、図１５は、シリンダ内の混合気の濃
度分布を制御するための第３の方法を示す図である。こ
の例では、吸気工程の手前で１度第２インジェクタ８ａ
〜８ｄによりガソリンを噴射（例えば全噴射量の半分程
度）させ、吸気工程中にもう一度第２インジェクタ８ａ
〜８ｄによりガソリンを噴射させる様にしている。この
ように、２回に分けてガソリンを噴射する様にすれば、
１回目の噴射時に予想された吸入空気量と２回目の噴射
時に実際に吸入される空気量の差分を、２回目の噴射時
に補正することができるので、より正確な燃料噴射を行
うことができる。本実施例では、この技術を応用して、
水素の添加量が増加するにつれて１回目の噴射量、すな
わち吸気工程手前の噴射量を増加させることにより、シ
リンダ内の混合気の濃度分布を制御している。すなわち
１回目に噴射されるガソリンの方が吸入空気により均一
に分布することとなるので、１回目の噴射量を増やせば
シリンダの点火プラグ２０付近よりも周辺部分の方がリ
ッチになり易い。そのため、水素の添加量を増加させる
につれて、１回目の噴射量を増加させる様にしている。

【００８５】以上説明した様に、上記の実施例において
は、水素添加時に点火プラグの周辺よりも、点火プラグ
から離れるにつれてリッチになる様に混合気の濃度分布
を制御しているので、リーンバーン時における水素によ
る着火性の向上と、火炎伝播性の向上を図ることがで
き、燃費を向上させることが可能となる。

【００８６】なお、本発明は、その主旨を逸脱しない範
囲で、上記実施例を修正または変形したものに適用可能
である。

【００８７】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明のエンジンの
混合気成層方法及びその装置によれば、着火性の良い気
体燃料を点火プラグの周辺に集中して供給すると共に、
液体燃料と空気の混合気を点火プラグから離れる程リッ
チにすることにより、燃料の着火性の向上と火炎伝播性
の向上とを同時に図ることができ、高い燃費向上効果が
得られる。

【００８８】また、気体燃料を気筒内に供給しない状態
においては、点火プラグの周辺の混合気をリッチにし、
点火プラグから離れる程リーンにすることにより、着火
性の低下を防止しつつ燃費の向上を図ることができる。

【００８９】また、吸気ポートに配設されたインジェク
タの噴射タイミングを変更することにより混合気の分布
を変更する様にしているので、インジェクタの噴射タイ
ミングを変更するという簡単な制御の変更により、混合
気の分布状態をエンジンの運転状態に合わせて容易に変
更することができる。

【００９０】また、吸気ポートの上流側に配設された第
１の液体燃料用インジェクタの噴射量と下流側に配設さ
れた第２の液体燃料用インジェクタの噴射量の比率を変
更することにより混合気の分布を変更する様にしている
ので、インジェクタの噴射量を変更するという簡単な制
御の変更により、混合気の分布状態をエンジンの運転状
態に合わせて容易に変更することができる。

【００９１】また、気体燃料としての水素の供給量に応
じて第１の液体燃料用インジェクタの噴射量と第２の液
体燃料用インジェクタの噴射量の比率を変更することに
より、水素の供給量に応じて着火性と火炎伝播性とを最
適なバランスで両立させることができる。

【００９２】また、水素を改質触媒により液体燃料から
生成する様にしているので、水素用のタンクを特別に用
意する必要がなく、車両のスペース効率を向上させるこ
とができる。

【００９３】また、改質触媒が活性化していない状態で
は、気筒内への水素の供給を停止する様にしているの
で、誤動作を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施例に係るエンジンの混合気成層
装置の全体的なシステム構成を示すものである。

【図２】エンジンの各シリンダの点火プラグ周辺部分の
側断面図である。

【図３】燃料供給制御の基本ルーチンを示すフローチャ
ートである。

【図４】横軸にエンジン回転数をとり、縦軸にトルクを
とった場合の、空燃比マップ及び水素添加量マップを示
した図である。

【図５】運転領域に応じて混合気に水素を添加する手順
を示すフローチャートである。

【図６】水素を添加する場合の水素量と点火タイミング
の関係を示した図である。

【図７】水素添加量と空燃比Ａ／Ｆの関係を示した図で
ある。

【図８】水素添加量とスロットル開度の関係を示した図
である。

【図９】水素を添加する場合と水素を添加しない場合の
シリンダ内におけるガソリンの濃度分布を示した図であ
る。

【図１０】シリンダ内で混合気を点火プラグから遠い程
リッチに分布させる方法の第１の例を示した図である。

【図１１】第２インジェクタの噴射タイミングと点火プ
ラグ周辺の空燃比Ａ／Ｆの関係を示した図である。

【図１２】インジェクタの噴射タイミングを早めて混合
気の濃度分布を制御する手順を示すフローチャートであ
る。

【図１３】シリンダ内の混合気の濃度分布を制御するた
めの第２の方法を示す図である。

【図１４】第１インジェクタと第２インジェクタにより
燃料を噴射する手順を示すフローチャートである。

【図１５】シリンダ内の混合気の濃度分布を制御するた
めの第３の方法を示す図である。

【符号の説明】

１ エンジン本体 ２ エアフロメータ ３ スロットルチャンバ ４ 吸気ポート ５ 吸気マニホールド ６ 液体燃料供給通路 ７ 第１インジェクタ ８ａ〜８ｄ 第２インジェクタ ９ａ〜９ｄ 第３インジェクタ １０ 水素供給通路 １１ 空気取り入れ口 １２ エアクリーナ １３ 開閉弁 １４ ターボチャーヂャ １５ 改質触媒 １６ サージタンク １７ 減圧弁 １８ 排気管 １９ 三元触媒コンバータ ２０ 点火プラグ ２１ エンジン回転センサ ２２ 水温サーミスタ ３０ エアクリーナ ４０ ＥＣＵ Ｓ１ Ｏ2 センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｍ 27/02 Ｇ (72)発明者 古川 一弘 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の運転条件において、点火プラグの
   周辺に気体燃料を添加する様にしたエンジンの混合気成
   層方法であって、 前記気体燃料の添加時には、液体燃料と空気との混合気
   を、エンジンの気筒内において前記点火プラグの周辺の
   部分よりも前記点火プラグから遠い部分の方がリッチと
   なる様に分布させることを特徴とするエンジンの混合気
   成層方法。
2. 【請求項２】 前記気体燃料の非添加時には、前記液体
   燃料と空気との混合気を、前記気筒内において前記点火
   プラグの周辺の部分よりも前記点火プラグから遠い部分
   の方がリーンとなる様に分布させることを特徴とする請
   求項１に記載のエンジンの混合気成層方法。
3. 【請求項３】 前記液体燃料をインジェクタにより噴射
   するタイミングを変更することによって、前記気筒内で
   の混合気の濃度分布を変更することを特徴とする請求項
   １に記載のエンジンの混合気成層方法。
4. 【請求項４】 前記液体燃料は前記エンジンの吸気ポー
   トに対応して配設された液体燃料用インジェクタから噴
   射され、前記気体燃料は前記気筒に対応して配設された
   気体燃料用インジェクタから噴射されることを特徴とす
   る請求項１に記載のエンジンの混合気成層方法。
5. 【請求項５】 前記液体燃料は前記エンジンの吸気ポー
   トに対応して配設された第１の液体燃料用インジェクタ
   と前記吸気ポートよりも下流側の吸気マニホールドに対
   応して配設された第２の液体燃料用インジェクタとから
   噴射され、前記第１の液体燃料用インジェクタの噴射量
   と前記第２の液体燃料用インジェクタの噴射量の比率を
   変更することにより、前記気筒内での混合気の濃度分布
   を変更することを特徴とする請求項１に記載のエンジン
   の混合気成層方法。
6. 【請求項６】 前記気体燃料の添加量に応じて前記第１
   の液体燃料用インジェクタの噴射量と前記第２の液体燃
   料用インジェクタの噴射量とを変更することを特徴とす
   る請求項５に記載のエンジンの混合気成層方法。
7. 【請求項７】 前記気体燃料は水素であることを特徴と
   する請求項１に記載のエンジンの混合気成層方法。
8. 【請求項８】 前記水素は改質触媒を用いて前記液体燃
   料から生成されることを特徴とする請求項７に記載のエ
   ンジンの混合気成層方法。
9. 【請求項９】 前記改質触媒が活性化されていない状態
   においては、前記水素の前記液体燃料への添加を停止す
   ることを特徴とする請求項８に記載のエンジンの混合気
   成層方法。
10. 【請求項１０】 所定の運転条件において、点火プラグ
    の周辺に気体燃料を添加する様にしたエンジンの混合気
    成層装置であって、 エンジンの気筒に接続された吸気ポートに設けられ、液
    体燃料を噴射するための液体燃料用インジェクタと、 前記気筒に対応して設けられ、前記気体燃料を前記点火
    プラグの周辺に噴射するための気体燃料用インジェクタ
    と、 該気体燃料用インジェクタから前記気体燃料を前記気筒
    内に供給している状態において、前記液体燃料と空気と
    の混合気が前記点火プラグの周辺の部分よりも前記点火
    プラグから遠い部分の方がリッチとなる様に前記液体燃
    料用インジェクタの燃料噴射動作を制御する制御手段と
    を具備することを特徴とするエンジンの混合気成層装
    置。
11. 【請求項１１】 前記制御手段は、前記気体燃料用イン
    ジェクタから前記気体燃料が前記気筒内に供給されてい
    ない状態において、前記液体燃料と空気との混合気が前
    記点火プラグの周辺の部分よりも前記点火プラグから遠
    い部分の方がリーンとなる様に前記液体燃料用インジェ
    クタの燃料噴射動作を制御することを特徴とする請求項
    １０に記載のエンジンの混合気成層装置。
12. 【請求項１２】 前記制御手段は、前記液体燃料用イン
    ジェクタの噴射タイミングを変更させることにより、前
    記混合気の濃度分布を変更することを特徴とする請求項
    １０に記載のエンジンの混合気成層装置。
13. 【請求項１３】 前記液体燃料用インジェクタは、吸気
    ポートの上流側に設けられた第１の液体燃料用インジェ
    クタと、該第１の液体燃料用インジェクタよりも下流側
    に設けられた第２の液体燃料用インジェクタとからな
    り、前記制御手段は、前記第１の液体燃料用インジェク
    タの噴射量と前記第２の液体燃料用インジェクタの噴射
    量の比率を変更させることにより、前記混合気の濃度分
    布を変更することを特徴とする請求項１０に記載のエン
    ジンの混合気成層装置。
14. 【請求項１４】 前記制御手段は、前記気体燃料の前記
    気筒内への供給量に応じて、前記第１の液体燃料用イン
    ジェクタの噴射量と前記第２の液体燃料用インジェクタ
    の噴射量の比率を変更させることを特徴とする請求項１
    ３に記載のエンジンの混合気成層装置。
15. 【請求項１５】 前記気体燃料は水素であることを特徴
    とする請求項１０に記載のエンジンの混合気成層装置。
16. 【請求項１６】 前記水素を前記液体燃料から生成する
    ための改質触媒を更に具備することを特徴とする請求項
    １５に記載のエンジンの混合気成層装置。
17. 【請求項１７】 前記制御手段は、前記改質触媒が活性
    化していない状態において、前記気体燃料用インジェク
    タの噴射動作を停止させることを特徴とする請求項１６
    に記載のエンジンの混合気成層装置。