WO2014054095A1 - 内燃機関 - Google Patents

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道川内亮
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 discloses an internal combustion engine that uses hydrogen as a gas fuel.
  • hydrogen may be used as a fuel for an internal combustion engine.
  • hydrogen and other fuels for example, hydrocarbon fuels such as natural gas and gasoline may be mixed to be a fuel for an internal combustion engine.
  • NOx nitrogen oxide
  • FIG. 1 is a graph in which the horizontal axis represents the excess air ratio and the vertical axis represents the NOx emission amount.
  • FIG. 1 shows the relationship between the excess air ratio and the NOx emission amount for two types of fuels having different hydrogen ratios.
  • the NOx emission amount increases as the hydrogen ratio increases. This is considered to be because when the proportion of hydrogen in the fuel increases, the combustion speed increases, and as a result, the combustion temperature rises and the NOx emission increases.
  • the lean limit increases as shown by the region A surrounded by the dotted line in FIG. If attention is paid to this point, it is possible to reduce the NOx emission amount by increasing the hydrogen ratio. Referring to FIG. 1, the higher the excess air ratio over a wide range of the horizontal axis, the lower the NOx. In order to keep the NOx emission amount below a certain value, it is necessary to set the air excess rate higher as the hydrogen ratio increases so that the amount of NOx emission increases. Necessary. However, the intake air amount of an internal combustion engine has a limit.
  • an object of the control device for an internal combustion engine disclosed in this specification is to suppress the generation of NOx by simple control.
  • an internal combustion engine disclosed in the present specification is an internal combustion engine that is operated by a mixed fuel of hydrogen and other fuels, and the engine load is higher than a first threshold value.
  • a control unit is provided that performs stoichiometric operation and performs lean operation when the value is equal to or less than the first threshold, and the control unit shifts in a direction in which a value related to a factor that affects the amount of NOx generated increases the amount of NOx generated As a result, the first threshold value is lowered.
  • the internal combustion engine tends to generate NOx in the lean operation state. Therefore, the closer the state of the internal combustion engine is to the state where NOx is likely to be generated, the easier it is to switch to the stoichiometric operation, whereby the generation of NOx can be suppressed.
  • the factor may be a hydrogen ratio in the mixed fuel, and the control unit may decrease the first threshold as the hydrogen ratio increases. As the hydrogen ratio increases, the combustion rate increases and the NOx is easily generated. Therefore, the first threshold value is decreased to facilitate switching to the stoichiometric operation as the hydrogen ratio increases.
  • the factor is an excess air ratio that takes into account the hydrogen ratio in the mixed fuel, and the control unit may decrease the first threshold as the excess air ratio decreases. Since the NOx is more likely to be generated as the excess air ratio is lowered, the first threshold value is lowered to facilitate switching to the stoichiometric operation as the excess air ratio is lowered.
  • the excess air ratio including the hydrogen ratio means that when the hydrogen ratio changes, the relationship between the NOx generation amount and the excess air ratio also changes accordingly. The purpose is to refer to the excess air ratio according to the ratio.
  • the factor may be a combustion speed in the internal combustion engine, and the control unit may decrease the first threshold as the combustion speed increases. Since the NOx is more likely to be generated as the combustion speed is increased, the first threshold value is lowered to facilitate switching to the stoichiometric operation as the combustion speed is increased.
  • the reason why the combustion speed is a factor is to refer to the combustion speed because the combustion speed changes with the change of the hydrogen ratio in the mixed fuel, and the amount of NOx generated also changes.
  • the internal combustion engine disclosed in the present specification is an internal combustion engine that is operated by a mixed fuel of hydrogen and other fuel, and performs stoichiometric operation when the engine load is higher than the first threshold value.
  • a control unit that performs lean operation at a certain time is provided, and the control unit reduces the proportion of hydrogen in the mixed fuel as the engine load increases.
  • the hydrogen ratio in the mixed fuel can be changed, by reducing the hydrogen ratio, the combustion speed can be reduced and the generation of NOx can be suppressed.
  • the control unit may start the reduction of the hydrogen ratio when the engine load becomes higher than a second threshold set lower than the first threshold.
  • the generation of NOx can be suppressed with simple control.
  • FIG. 1 is a graph showing the relationship between the hydrogen ratio in the mixed fuel and the NOx emission amount.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the internal combustion engine of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of control of the internal combustion engine of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the injection characteristics of the injector.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the hydrogen ratio, density, and constant pressure specific heat.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of a switching map between the stoichiometric operation and the lean operation in the first embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of a switching map between stoichiometric operation and lean operation in the second embodiment.
  • FIG. 1 is a graph showing the relationship between the hydrogen ratio in the mixed fuel and the NOx emission amount.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the internal combustion engine of the first embodiment.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating an example of a switching map between stoichiometric operation and lean operation in the third embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the internal combustion engine of the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of control of the internal combustion engine of the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating an example of a switching map between stoichiometric operation and lean operation in the fourth embodiment.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the internal combustion engine 1 of the first embodiment.
  • the internal combustion engine 1 uses a mixed fuel of hydrogen and hydrocarbon fuel.
  • the internal combustion engine 1 includes an intake manifold 3 and an exhaust manifold 4 connected to the main body 2.
  • the internal combustion engine 1 includes four cylinders 2a, and includes a spark plug 5 for each cylinder 2a.
  • the internal combustion engine 1 includes a fuel tank 16.
  • the fuel tank 16 stores a mixed fuel of hydrogen and hydrocarbon fuel. Natural gas or gasoline can be adopted as the hydrocarbon fuel.
  • the internal combustion engine 1 includes an injector 6 that injects fuel for each port 3a that communicates with each cylinder 2a.
  • An intake pipe 7 is connected to the intake manifold 3.
  • a throttle valve 8 and an air flow meter 9 are installed in the intake pipe 7.
  • An exhaust pipe 10 is connected to the exhaust manifold 4.
  • An exhaust purification catalyst 11 is installed in the exhaust pipe 10.
  • An EGR (Exhaust Gas Recirculation) pipe 12 is disposed between the intake pipe 7 and the exhaust pipe 10.
  • the EGR pipe 12 is provided with an EGR cooler 13 and an EGR valve 14.
  • the internal combustion engine 1 includes an in-cylinder pressure sensor 15 for each cylinder 2a. By providing the cylinder pressure sensor 15, the combustion speed in the internal combustion engine 1 can be detected.
  • the internal combustion engine 1 includes a pressure sensor 16 a attached to the fuel tank 16.
  • the pressure sensor 16 a detects the pressure value in the fuel tank 16. By referring to the pressure in the fuel tank 16, it is possible to detect that fuel has been supplied (fuel supply) into the fuel tank 16.
  • the internal combustion engine 1 includes a hydrogen ratio detection device 18 in a fuel passage 17 that connects the fuel tank 16 and the injector 6.
  • the hydrogen ratio detection device 18 is a conventionally known hot-wire flow meter, detects the mass flow rate of the injected gas, and uses a volume map calculated by the characteristics of the injector 6 and a density map corresponding to the hydrogen ratio to generate hydrogen in the mixed gas. Calculate the percentage. Specific calculation of the hydrogen ratio will be described later.
  • the internal combustion engine 1 includes an ECU (Electronic control unit) 19 corresponding to a control unit.
  • the ECU 19 is electrically connected to the spark plug 5, the injector 6, the throttle valve 8, the air flow meter 9, the EGR valve 14, the in-cylinder pressure sensor 15, and the hydrogen ratio detection device 18.
  • the ECU 19 is connected to various other sensors and is electrically connected to each part of the internal combustion engine 1 to perform integrated control of the internal combustion engine 1.
  • the ECU 19 includes a map that performs stoichiometric operation when the engine load is higher than the first threshold and performs lean operation when the engine load is equal to or lower than the first threshold. This map will be described in detail later.
  • the ECU 19 mainly controls the internal combustion engine 1.
  • step S1 the hydrogen ratio of the mixed fuel in the fuel tank 16 is acquired.
  • the hydrogen ratio is calculated using the following formula using the hydrogen ratio detector 18.
  • Electric power required for heating density of mixed gas ⁇ injection volume flow rate ⁇ constant pressure specific heat ⁇ temperature difference
  • electric power required for heating and “temperature difference” are obtained from a hot-wire flow meter.
  • the hydrogen ratio detection device 18 which is a hot wire type flow meter includes a flow velocity detection unit configured by two thin thin tubes and a thermocouple. The thermocouple is inserted in the center part along the length direction of a thin tube.
  • An electric current is passed through one of the thin-walled tubes for detecting the flow velocity, and the thin-walled tube is heated by Joule heat.
  • the other thin-walled thin tube is not heated and has the same temperature condition as the temperature of the fuel gas.
  • the flow velocity of the gas is calculated from the amount of heat taken by the fluid from the heated thin thin tube. Therefore, the temperature difference between the heated thin thin tube and the unheated thin thin tube is measured by a thermocouple. This temperature difference is the temperature difference in the above equation. If the heating power is controlled so that this temperature difference becomes constant, the flow rate of the gas can be obtained from the amount of power.
  • the injection volume flow rate in the above equation is obtained by referring to the graph showing the injection characteristics of the injector shown in FIG. That is, the injection volume flow rate can be obtained from the injection pressure and the injection period at that time. As shown in FIG. 4, if the injection pressure P2 ⁇ the injection pressure P1 and the injection period is the same, the injection volume flow rate at the injection pressure P1 is larger than the injection volume flow rate at the injection pressure P2. .
  • a lean operation upper limit load that is, a first threshold value is calculated.
  • the first threshold value is a threshold value related to the engine load for switching between stoichiometric operation and lean operation.
  • the first threshold value decreases as the value related to the factor that affects the NOx generation amount shifts in the direction of increasing the NOx generation amount. More specifically, the first threshold value decreases as the hydrogen ratio increases as shown in the map shown in FIG. As shown in FIG. 1, when the proportion of hydrogen in the mixed fuel increases, NOx is likely to be generated. Further, the internal combustion engine easily generates NOx in the lean operation state.
  • step S2 a first threshold value corresponding to the hydrogen ratio acquired in step S1 is calculated.
  • step S3 it is determined whether or not the engine load is smaller than the first threshold value calculated in step S2.
  • step S4 it is determined whether or not the internal combustion engine 1 at that time is in a lean operation.
  • step S5 the internal combustion engine 1 is switched to stoichiometric operation. Thereby, generation
  • step S5 the process returns.
  • step S4 the stoichiometric operation is continued without passing through step 5. The process then returns.
  • the process proceeds to step S6.
  • step S6 it is determined whether or not the internal combustion engine 1 at that time is in stoichiometric operation. When it is determined Yes in step S6, the process proceeds to step S7. In step S7, the internal combustion engine 1 is switched to lean operation. When it is determined No in step S3, since the possibility of NOx generation is low, fuel efficiency is improved by making the lean operation. After step S7, the process returns. When it is determined No in step S6, the lean operation is continued without passing through step S7. Processing then returns.
  • the internal combustion engine 1 in the first embodiment since the first threshold value is changed according to the hydrogen ratio in the mixed fuel and the lean operation and the stoichiometric operation are switched, the generation of NOx is appropriately performed. Can be suppressed. Further, since the lean operation is performed when the possibility of NOx generation is low, the fuel consumption can be improved.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in the following points.
  • the hydrogen ratio in the mixed fuel is adopted as a factor that affects the amount of NOx generated
  • the excess air ratio that takes into account the hydrogen ratio in the mixed fuel is used. Yes.
  • the first threshold value is decreased to facilitate switching to the stoichiometric operation as the excess air ratio decreases. Thereby, generation
  • the hydrogen ratio is taken into account and correction according to the hydrogen ratio is performed. .
  • a plurality of maps created in consideration of the hydrogen ratio may be prepared.
  • the third embodiment differs from the first embodiment in the following points.
  • the proportion of hydrogen in the mixed fuel is adopted as a factor that affects the amount of NOx generated
  • the combustion speed in the internal combustion engine 1 is used.
  • a possible cause of NOx generation is an increase in the combustion speed in the cylinder. Therefore, as shown in FIG. 8, the first threshold value is lowered to facilitate switching to the stoichiometric operation as the combustion speed increases. Thereby, generation
  • the internal combustion engine 50 of the fourth embodiment includes two fuel tanks. Specifically, the internal combustion engine 50 includes a fuel tank 26 in addition to the fuel tank 16. Further, only the hydrocarbon fuel is stored in the fuel tank 16. Only hydrogen is stored in the fuel tank 26. That is, the internal combustion engine 50 includes a fuel tank for each type of fuel. In the fuel tank 26, an injector 28 is provided for each cylinder via a fuel passage 27. The injector 28 is electrically connected to the ECU 19. The internal combustion engine 50 can be set to an arbitrary hydrogen ratio by the ECU 19.
  • the internal combustion engine 50 can be set to an arbitrary hydrogen ratio, the hydrogen ratio detection device 18 provided in the internal combustion engine 1 is removed. Since the main configuration of the internal combustion engine 50 is the same as that of the internal combustion engine 1, the same components are denoted by the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof is omitted.
  • the ECU 19 mainly controls the internal combustion engine 50.
  • a first threshold value and a second threshold value appear as threshold values related to the engine load.
  • the first threshold value is a threshold value for switching between stoichiometric operation and lean operation, and this point is common to the internal combustion engine 1 of the first embodiment.
  • the first threshold value in the internal combustion engine 50 of the fourth embodiment is different from the first threshold value of the internal combustion engine 1 in that it is a fixed value.
  • the second threshold is a value set lower than the first threshold, and is a threshold for determining whether or not to start reducing the hydrogen ratio.
  • step S11 it is determined whether the engine load is larger than a second threshold value.
  • step S12 the process proceeds to step S12.
  • step S13 the reduction of the hydrogen ratio is started.
  • the reduction of the hydrogen ratio changes the ratio of the fuel injected from the fuel tank 16 and the fuel injected from the fuel tank 26. Specifically, the ratio of hydrocarbon fuel stored in the fuel tank 16 is increased. Is done by.
  • step S13 it is determined whether the engine load is larger than a first threshold value.
  • the process proceeds to step S14 and the stoichiometric operation is performed. Thereby, generation
  • the process returns.
  • step S13 lean operation is performed.
  • fuel consumption can be improved.
  • step S15 the process returns.
  • the internal combustion engine 50 according to the fourth embodiment can suppress the generation of NOx even when the engine load is high in the lean operation region and as a result, there is a concern about an increase in the amount of NOx generated.

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Abstract

　内燃機関は、水素とそれ以外の燃料との混合燃料によって運転される。内燃機関は、機関負荷が第１閾値よりも高いときにストイキ運転とし、この第１閾値以下であるときにリーン運転とする制御部を備える。この制御部は、ＮＯｘの発生量に影響を与える因子に関する値がＮＯｘの発生量を増加させる方向に移行するほど、前記第１閾値を低下させる。前記因子として、混合燃料中の水素割合、空気過剰率、燃焼速度を採用することができる。これらの因子に基づいて第１閾値を変化させることにより効果的にＮＯｘの発生を抑制することができる。

Description

内燃機関
　本発明は、内燃機関に関する。
　従来、水素を燃料とする内燃機関が知られている。例えば、特許文献１には、ガス燃料として水素を利用する内燃機関が開示されている。
特開２００７－１９８２７５号公報
　上記特許文献に開示されているように水素を内燃機関の燃料として使用することがある。また、水素と他の燃料、例えば、天然ガスやガソリンといった炭化水素燃料が混合されて内燃機関の燃料とされることがある。ところで、内燃機関を運転する場合、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が課題となる。水素と炭化水素燃料との混合燃料を用いた場合、その水素割合とＮＯｘ排出量との間には、図１に示す関係がある。図１は、横軸を空気過剰率、縦軸をＮＯｘ排出量としたグラフである。図１には、水素割合の異なる二種類の燃料について、空気過剰率とＮＯｘ排出量との関係が示されている。図１から、等空気過剰率である場合には、水素割合の増加に伴ってＮＯｘ排出量が増加することがわかる。これは、燃料中の水素の割合が増加すると、燃焼速度が上昇し、この結果、燃焼温度が上昇してＮＯｘ排出量が増加するためであると考えられる。
　一方で、水素の可燃範囲は広いため、水素割合が増加すると、図１中、点線で囲んだ領域Ａが示すようにリーン限界が拡大する。この点に着目すれば、水素割合を増加することによりＮＯｘ排出量の低減を図ることもできる。図１を参照すると、横軸の広範囲の領域に亘って空気過剰率が高いほど、ＮＯｘが低減されている。ＮＯｘ排出量を一定値以下に抑えるためには、ＮＯｘ排出量が多くなる水素割合が多い場合ほど空気過剰率を高く設定する必要があり、水素割合が低い場合と比較してより多くの空気が必要となる。ところが、内燃機関の吸入空気量には限界がある。このため、内燃機関の運転状態（機関負荷）によっては空気量を増やすことができず、結果として空気過剰率を高めることができないことが想定される。このような状態においてさらなる高負荷が要求されて燃料噴射量が増加されると空気過剰率が低下し、すなわち、図１において空気過剰率が左側にシフトすることになり、ＮＯｘが増大する。
　内燃機関の燃費を向上させるためには、できるだけリーン状態で運転することができる機関負荷の範囲を広げることが有効である。使用燃料中の水素割合が多い場合にリーン状態で運転することができる機関負荷の範囲を広げるために、内燃機関に装備された過給機の過給圧を高めて空気量を増加させることが考えられる。また、タンブルやスワールコントロールバルブ等により燃焼室内の気流の乱れを抑えて燃焼速度を低下させ、これにより水素割合が高い場合にもリーン状態で運転することができる機関負荷の範囲を広げることができる。しかしながら、上記の措置は、過給機を備えていない内燃機関には適用できなかったり、制御が複雑になったりする可能性がある。
　そこで、本明細書開示の内燃機関の制御装置は、簡易な制御でＮＯｘ発生を抑制することを課題とする。
　かかる課題を解決するために、本明細書に開示された内燃機関は、水素とそれ以外の燃料との混合燃料によって運転される内燃機関であって、機関負荷が第１閾値よりも高いときにストイキ運転とし、当該第１閾値以下であるときにリーン運転とする制御部を備え、前記制御部は、ＮＯｘの発生量に影響を与える因子に関する値がＮＯｘの発生量を増加させる方向に移行するほど、前記第１閾値を低下させる。
　内燃機関は、リーン運転状態においてＮＯｘを発生させ易い。そこで、内燃機関の状態がＮＯｘを発生させ易い状態に近づくほど、ストイキ運転に切り換え易くし、これによりＮＯｘの発生を抑制することができる。
　前記因子は、前記混合燃料中の水素割合であり、前記制御部は、前記水素割合が増大するほど、前記第１閾値を低下させてもよい。水素割合が大きくなるほど、燃焼速度が増し、ＮＯｘが発生し易い状態となることから、水素割合の増大に伴って、ストイキ運転に切り換え易くするため、第１閾値を低下させる。
　前記因子は、前記混合燃料中の水素割合を加味した空気過剰率であり、前記制御部は、前記空気過剰率が低下するほど、前記第１閾値を低下させてもよい。空気過剰率が低下するほどＮＯｘが発生し易い状態となることから、空気過剰率の低下に伴って、ストイキ運転に切り換え易くするため、第１閾値を低下させる。ここで、水素割合を加味した空気過剰率とは、図１で示すように、水素割合が変化するとそれに伴ってＮＯｘ発生量と空気過剰率との関係も変化することから、混合燃料中の水素割合に応じた空気過剰率を参照する趣旨である。
　前記因子は、前記内燃機関における燃焼速度であり、前記制御部は、前記燃焼速度が増速するほど、前記第１閾値を低下させてもよい。燃焼速度が増速するほどＮＯｘが発生し易い状態となることから、燃焼速度の増速に伴って、ストイキ運転に切り換え易くするため、第１閾値を低下させる。ここで、燃焼速度を因子とするのは、混合燃料中の水素割合が変化するとそれに伴って燃焼速度が変化し、ＮＯｘ発生量も変化することから、燃焼速度を参照する趣旨である。
　本明細書開示の内燃機関は、水素とそれ以外の燃料との混合燃料によって運転される内燃機関であって、機関負荷が第１閾値よりも高いときにストイキ運転とし、当該第１閾値以下であるときにリーン運転とする制御部を備え、前記制御部は、機関負荷が高くなるほど前記混合燃料中の水素割合を低減する。
　混合燃料中の水素割合を変更できる場合は、水素割合を低減することにより、燃焼速度を低下させ、ＮＯｘの発生を抑制することができる。
　前記制御部は、機関負荷が、前記第１閾値よりも低く設定された第２閾値を越えて高くなったときに前記水素割合の低減を開始してもよい。ストイキ運転に切り換える以前に水素割合を低減することで、できるだけリーンの状態を維持しつつ、ＮＯｘの発生も抑制することができる。
　本明細書開示の内燃機関によれば、簡易な制御でＮＯｘ発生を抑制することができる。
図１は、混合燃料中の水素割合とＮＯｘ排出量との関係を示すグラフである。 図２は、第１実施形態の内燃機関の概略構成を示す説明図である。 図３は、第１実施形態の内燃機関の制御の一例を示すフロー図である。 図４は、インジェクタの噴射特性を示すグラフである。 図５は、水素割合と密度、定圧比熱との関係を示すグラフである。 図６は、第１実施形態におけるストイキ運転とリーン運転との切替マップの一例を示す説明図である。 図７は、第２実施形態におけるストイキ運転とリーン運転との切替マップの一例を示す説明図である。 図８は、第３実施形態におけるストイキ運転とリーン運転との切替マップの一例を示す説明図である。 図９は、第４実施形態の内燃機関の概略構成を示す説明図である。 図１０は、第４実施形態の内燃機関の制御の一例を示すフロー図である。 図１１は、第４実施形態におけるストイキ運転とリーン運転との切替マップの一例を示す説明図である。
　以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。
（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態の内燃機関１の概略構成を示す説明図である。内燃機関１は、水素と炭化水素燃料との混合燃料を用いる。内燃機関１は、本体部２に接続されたインテークマニホールド３とエキゾーストマニホールド４を備えている。内燃機関１は、４つのシリンダ２ａを備えており、シリンダ２ａ毎に点火プラグ５を備えている。内燃機関１は、燃料タンク１６を備えている。燃料タンク１６には、水素と炭化水素燃料との混合燃料が貯蔵される。なお、炭化水素燃料として、天然ガスやガソリンを採用することができる。内燃機関１は、各シリンダ２ａに通じるポート３ａ毎に燃料を噴射するインジェクタ６を備えている。インテークマニホールド３には、吸気管７が接続されている。吸気管７には、スロットルバルブ８、エアフロメータ９が設置されている。エキゾーストマニホールド４には、排気管１０が接続されている。排気管１０には、排気浄化触媒１１が設置されている。吸気管７と排気管１０との間には、ＥＧＲ（Exhaust　Gas　Recirculation））管１２が配設されている。ＥＧＲ管１２には、ＥＧＲクーラ１３とＥＧＲ弁１４とが設置されている。内燃機関１は、シリンダ２ａ毎に筒内圧センサ１５を備えている。筒内圧センサ１５を備えることにより、内燃機関１における燃焼速度を検出することができる。
　内燃機関１は、燃料タンク１６に装着された圧力センサ１６ａを備えている。圧力センサ１６ａは、燃料タンク１６内の圧力値を検出する。燃料タンク１６内の圧力を参照することにより、燃料タンク１６内に燃料が供給（給油）されたことを検知することができる。内燃機関１は、燃料タンク１６とインジェクタ６とを接続する燃料通路１７に水素割合検出装置１８を備えている。水素割合検出装置１８は、従来公知の熱線式流量計であり、噴射気体の質量流量を検出し、インジェクタ６の特性により算出される体積流量と水素割合に応じた密度マップにより、混合気体における水素割合を算出する。具体的な水素割合の算出については後に説明する。
　内燃機関１は、制御部に相当するＥＣＵ（Electronic control unit）１９を備えている。ＥＣＵ１９には、点火プラグ５、インジェクタ６、スロットルバルブ８、エアフロメータ９、ＥＧＲ弁１４、筒内圧センサ１５及び水素割合検出装置１８と電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１９には、他の各種センサが接続されると共に、内燃機関１の各部と電気的に接続されており、内燃機関１の統合的な制御を行う。ＥＣＵ１９は、機関負荷が第１閾値よりも高いときにストイキ運転とし、第１閾値以下であるときにリーン運転とするマップを備えている。このマップについては、後に詳述する。
　つぎに、内燃機関１の制御の一例につき、図３に示すフロー図を参照しつつ説明する。内燃機関１の制御は、ＥＣＵ１９が主体的に行う。まず、ステップＳ１において、燃料タンク１６内の混合燃料の水素割合を取得する。水素割合は、水素割合検出装置１８を用い、以下の式を用いて算出される。
　　加熱に要した電力＝混合気体の密度×噴射体積流量×定圧比熱×温度差
　ここで、「加熱に要した電力」と「温度差」は熱線式流量計から得られる。熱線式流量計である水素割合検出装置１８は、２本の薄肉細管と熱電対で構成された流速検出部を備える。熱電対は、細管の長さ方向に沿って、その中心部に挿入されている。この流速検出用の薄肉細管の一方に電流を流し、その薄肉細管をジュール熱によって加熱する。他方の薄肉細管は加熱せず、燃料気体の温度と同一の温度条件とする。ここで、気体の流速は、加熱された側の薄肉細管から流体が奪っていく熱量から算出される。よって加熱された側の薄肉細管と加熱されなかった側の薄肉細管との温度差を熱電対によって計測する。この温度差が上式における温度差となる。この温度差が一定となるように加熱電力を制御すれば、その電力量により、気体の流速を求めることができる。
　上式における噴射体積流量は、図４に示すインジェクタの噴射特性を示すグラフを参照することによって求められる。すなわち、そのときどきの噴射圧力と噴射期間から噴射体積流量を求めることができる。図４に示すように、噴射圧力Ｐ２＜噴射圧力Ｐ１であり、噴射期間が同じ条件下であれば、噴射圧力Ｐ２のときの噴射体積流量よりも噴射圧力Ｐ１のときの噴射体積流量が多くなる。
　このようにして取得された値を上式に代入し、図５に示す水素割合と密度、定圧比熱との関係を示すグラフから、上式が成立する「混合気体の密度」と「定圧比熱」との組み合わせを探し出す。このようにして探し出された「混合気体の密度」と「定圧比熱」の組み合わせに対応する値が、そのときの水素割合となる。なお、本実施形態における混合燃料は、単一の燃料タンク１６に貯留される。このため、水素割合が変化するのは、燃料タンク１６に燃料が供給されたタイミングとすることができる。そこで、水素割合の取得は、毎回行うことは要せず、燃料タンク１６への燃料供給が行われた後のタイミングで行うようにしてもよい。燃料タンク１６への燃料の供給が行われたか否かは、燃料タンク１６に装着された圧力センサ１６ａの値を参照して行うことができる。すなわち、圧力センサ１６ａの値の上昇が観測されたときに燃料の供給が行われたと判断するようにしてもよい。
　ステップＳ２では、リーン運転上限負荷、すなわち、第１閾値を算出する。ここで、第１閾値は、ストイキ運転とリーン運転とを切り換える機関負荷に関する閾値である。第１閾値は、ＮＯｘの発生量に影響を与える因子に関する値がＮＯｘの発生量を増加させる方向に移行するほど、低下する。より具体的に、第１閾値は、図６に示すマップに示すように水素割合が増大するほど低下する。図１に示すように、混合燃料中の水素割合が多くなると、ＮＯｘが発生し易くなる。また、内燃機関は、リーン運転状態においてＮＯｘを発生させ易い。そこで、上記因子として混合燃料中の水素割合を採用し、水素割合がＮＯｘを発生させ易い状態に近づくほど、ストイキ運転に切り換え易い状態とする。これによりＮＯｘの発生を抑制することができる。ステップＳ２では、ステップＳ１で取得した水素割合に応じた第１閾値を算出する。
　ステップＳ３では、機関負荷がステップＳ２で算出した第１閾値よりも小さいか否かを判断する。ステップＳ３でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、そのときの内燃機関１がリーン運転中であるか否かを判断する。ステップＳ４でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、内燃機関１をストイキ運転に切り換える。これによりＮＯｘの発生を抑制することができる。ステップＳ５の後は、処理はリターンとなる。ステップＳ４でＮｏと判断したときは、ステップ５を経ることなくストイキ運転を継続する。そして、処理はリターンとなる。一方、ステップＳ３でＮｏと判断したときは、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、そのときの内燃機関１がストイキ運転中であるか否かを判断する。ステップＳ６でＹｅｓと判断したときはステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、内燃機関１をリーン運転に切り換える。ステップＳ３でＮｏと判断したときは、ＮＯｘの発生の可能性が低いため、リーン運転とすることによる燃費向上を図る。ステップＳ７の後は、処理はリターンとなる。ステップＳ６でＮｏと判断したときは、ステップＳ７を経ることなくリーン運転を継続する。そして処理はリターンとなる。
　以上説明したように、第１実施形態における内燃機関１によれば、混合燃料中の水素割合に応じて第１閾値を変化させてリーン運転とストイキ運転とを切り換えるため、適切にＮＯｘの発生を抑制することができる。また、ＮＯｘ発生の可能性が低い状態のときはリーン運転を行うため、燃費の向上を図ることもできる。
　（第２実施形態）
　つぎに、第２実施形態について、図７を参照しつつ説明する。第２実施形態は、以下の点において第１実施形態と異なる。第１実施形態では、ＮＯｘの発生量に影響を与える因子として混合燃料中の水素割合を採用しているの対し、第２実施形態では、前記混合燃料中の水素割合を加味した空気過剰率としている。図１を参照すると、空気過剰率が低下するほどＮＯｘが発生し易い状態となる。そこで、図７に示すように、空気過剰率の低下に伴って、ストイキ運転に切り換え易くするため、第１閾値を低下させる。これにより、ＮＯｘの発生を抑制することができる。なお、空気過剰率とＮＯｘ排出量との関係は、混合燃料中の水素割合の影響を受けるため、第１閾値の算出に当たっては、水素割合を加味して、水素割合に応じた補正が行われる。または、水素割合を加味して作成された複数のマップを準備しておいてもよい。
　（第３実施形態）
　つぎに、第３実施形態について、図８を参照しつつ説明する。第３実施形態は、以下の点において第１実施形態と異なる。第１実施形態では、ＮＯｘの発生量に影響を与える因子として混合燃料中の水素割合を採用しているの対し、第３実施形態では、内燃機関１における燃焼速度としている。ＮＯｘの発生原因として筒内での燃焼速度の上昇が考えられる。そこで、図８に示すように燃焼速度の上昇に伴って、ストイキ運転に切り換え易くするため、第１閾値を低下させる。これにより、ＮＯｘの発生を抑制することができる。
　（第４実施形態）
　つぎに、第４実施形態について、図９乃至図１１を参照しつつ説明する。第４実施形態の内燃機関５０は、第１実施形態の内燃機関１とは異なり、ふたつの燃料タンクを備える。具体的に、内燃機関５０は、燃料タンク１６に加え、燃料タンク２６を備える。また、燃料タンク１６には、炭化水素燃料のみが貯留される。燃料タンク２６には、水素のみが貯留される。すなわち、内燃機関５０では、燃料の種類毎に燃料タンクを備えている。燃料タンク２６は、燃料通路２７を介してインジェクタ２８がシリンダ毎に設けられている。インジェクタ２８は、ＥＣＵ１９と電気的に接続されている。内燃機関５０は、ＥＣＵ１９により、任意の水素割合とすることができる。このように、内燃機関５０は、任意の水素割合とすることができるため、内燃機関１が備える水素割合検出装置１８は取り外されている。なお、内燃機関５０の主要な構成は、内燃機関１と共通するため、同一の構成要素については図面中、共通の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
　つぎに、内燃機関５０の制御の一例につき、図１０に示すフロー図を参照しつつ説明する。内燃機関５０の制御は、ＥＣＵ１９が主体的に行う。内燃機関５０の制御では、機関負荷に関する閾値として、第１閾値と第２閾値が登場する。第１閾値は、ストイキ運転とリーン運転とを切り換える閾値であり、この点、第１実施形態の内燃機関１と共通する。ただし、第４実施形態の内燃機関５０における第１閾値は、固定された値である点で内燃機関１の第１閾値とは異なる。第２閾値は、第１閾値よりも低く設定された値であり、水素割合の低減を開始するか否かの閾値である。
　まず、ステップＳ１１では、機関負荷が第２閾値よりも大きいか否かを判断する。ステップＳ１１でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１１でＮｏと判断したときは、ステップＳ１２を経ることなくステップＳ１３へ進む。ステップＳ１２では、水素割合の低減を開始する。水素割合を低減することにより、ＮＯｘが発生し難い状態とすることができる。水素割合の低減は、燃料タンク１６から噴射される燃料と、燃料タンク２６から噴射される燃料の比率を変化させる、具体的に、燃料タンク１６に貯留された炭化水素燃料の比率を増大することによって行われる。
　ステップＳ１３では、機関負荷が第１閾値よりも大きいか否かを判断する。ステップＳ１３でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ１４へ進み、ストイキ運転とされる。これにより、ＮＯｘの発生を抑制することができる。すなわち、水素割合の低減を行ったにもかかわらず、ＮＯｘの発生が懸念される機関負荷となるときは、ストイキ運転に切り換えてＮＯｘの発生を抑制する。ステップＳ１４の後は、処理はリターンとなる。
　一方、ステップＳ１３でＮｏと判断したときは、リーン運転とする。リーン運転とすることにより、燃費を向上させることができる。また、水素割合の低減を行うことにより、運転を継続しつつ、ＮＯｘの発生を抑制することができるため、燃費の向上とＮＯｘの発生抑制の両立を図ることができる。ステップＳ１５の後は、処理はリターンとなる。
　第４実施形態の内燃機関５０は、リーン運転領域において機関負荷が高くなり、その結果、ＮＯｘ発生量の増大が懸念される場合であっても、ＮＯｘの発生を抑制することができる。
　上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
　例えば、上記第１実施形態乃至第３実施形態において、ＮＯｘの発生量に影響を与える因子としてそれぞれ別個の因子を採用しているが、これらの因子を適宜組み合わせて採用することもできる。
１、５０　内燃機関
２　本体部
３　インテークマニホールド
４　エキゾーストマニホールド
５　点火プラグ
６、２８　インジェクタ
７　吸気管
８　スロットルバルブ
９　エアフロメータ
１０　排気管
１１　排気浄化触媒
１２　ＥＧＲ管
１３　ＥＧＲクーラ
１４　ＥＧＲ弁
１５　筒内圧センサ
１６、２６　燃料タンク
１７、２７　燃料通路
１８　水素割合検出装置

Claims (6)

  1. 　水素とそれ以外の燃料との混合燃料によって運転される内燃機関であって、
    　機関負荷が第１閾値よりも高いときにストイキ運転とし、当該第１閾値以下であるときにリーン運転とする制御部を備え、
    　前記制御部は、ＮＯｘの発生量に影響を与える因子に関する値がＮＯｘの発生量を増加させる方向に移行するほど、前記第１閾値を低下させる内燃機関。
  2. 　前記因子は、前記混合燃料中の水素割合であり、前記制御部は、前記水素割合が増大するほど、前記第１閾値を低下させる請求項１に記載の内燃機関。
  3. 　前記因子は、前記混合燃料中の水素割合を加味した空気過剰率であり、前記制御部は、前記空気過剰率が低下するほど、前記第１閾値を低下させる請求項１又は２に記載の内燃機関。
  4. 　前記因子は、前記内燃機関における燃焼速度であり、前記制御部は、前記燃焼速度が増速するほど、前記第１閾値を低下させる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関。
  5. 　水素とそれ以外の燃料との混合燃料によって運転される内燃機関であって、
    　機関負荷が第１閾値よりも高いときにストイキ運転とし、当該第１閾値以下であるときにリーン運転とする制御部を備え、
    　前記制御部は、機関負荷が高くなるほど前記混合燃料中の水素割合を低減する内燃機関。
  6. 　前記制御部は、機関負荷が、前記第１閾値よりも低く設定された第２閾値を越えて高くなったときに前記水素割合の低減を開始する請求項５に記載の内燃機関。
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