(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽油を燃焼するディーゼル内燃機関と、
前記ディーゼル内燃機関に水素を含む水素含有ガスを添加する水素含有ガス添加手段と、
前記水素含有ガス添加手段による水素添加量を、水素添加によるオクタン価、セタン価の変動を考慮して設定された水素添加量データに基づいて決定する水素添加量決定手段と、
前記ディーゼル内燃機関における燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
前記燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、前記ディーゼル内燃機関における燃焼が緩慢になるように、ＥＧＲ量を制御するＥＧＲ量制御手段と、
を備え、
前記ＥＧＲ量制御手段が、ＥＧＲ量を３５〜４５％に制御した後、
前記水素添加量決定手段が、前記燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、前記ディーゼル内燃機関における燃焼が緩慢になるように、水素添加量を吸気に対して４ｖｏｌ％に決定する
ことを特徴とする内燃機関システム。
【請求項２】
前記水素添加量決定手段は、ＥＧＲ量を考慮して、水素添加量を決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項３】
前記水素含有ガス添加手段が決定された水素添加量で水素含有ガスを添加した後において前記内燃機関でノッキングが発生した場合、
前記水素添加量決定手段は水素添加量を増加させる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関システム。
【請求項４】
前記水素含有ガス添加手段が決定された水素添加量で水素含有ガスを添加した後、
前記水素添加量決定手段は、前記内燃機関における着火遅れ時間が所定時間以上となるように、水素添加量を補正する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含む水素含有ガスが添加される内燃機関を備える内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１〜２に開示されるように、ガソリン、軽油等の燃料を燃焼する内燃機関に、燃焼性の高い水素を添加することで、出力等を向上させ、排気ガス（エミッション）を低減する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１０３８６７号公報
【特許文献２】特許第４１９６８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来は、ガソリン、軽油等の燃料に、水素が添加されたとしても、着火性、燃焼性に関するオクタン価、セタン価等の指数（着火指数）は、固定値として取り扱われていた。
すなわち、ガソリン、軽油に水素が添加されると、燃料の着火は抑制され、ガソリンの場合にはノッキングが抑制され、軽油の場合には着火遅れ期間が長くなり予混合化できる、と知られているので、実際には、そのオクタン価、セタン価が変動していると思われるが、従来は、水素添加によるオクタン価、セタン価の変動を考慮せず、つまり、水素添加の有無に関わらず、一定の固定値として取り扱われていた。
【０００５】
ここで、ガソリンエンジンの場合、高負荷領域では、ノッキングの抑制のために、高オクタン価の燃料が望まれる。そして、ディーゼルエンジンの場合、中高負荷領域では、排気ガス（エミッション）の低減のため予混合燃焼を促進させる低セタン価の燃料が望まれる。
そして、高オクタン価燃料と、低セタン価燃料とは、いずれも低着火性であるので、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれにおいても、高負荷領域では低着火性の燃料が望まれることになる。
【０００６】
そこで、本発明は、着火性・燃焼性の変動を考慮しつつ水素添加し、内燃機関の熱効率が高い内燃機関システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題に鑑み、本願発明者は、内燃機関における水素添加された燃料の燃焼について鋭意検討したところ、水素は着火性が低いが、燃焼速度が大きく、燃焼についてのロバスト性（燃焼ロバスト性）が高い、という特性を有しているので、水素を添加すると、着火性は低くなり、燃焼速度は大きく、燃焼ロバスト性は高くなる、という知見を得た。
【０００８】
すなわち、水素添加量を制御することで、水素添加後の燃料全体の着火性を最適化しつつ、燃焼速度を大きくし、燃焼ロバスト性を高めて、熱効率を高めることができる、という知見を得た。
そして、燃焼速度が大きくなり、ロバスト性が高くなると、燃焼変動率が小さくなるので、ＥＧＲ率を高めることもでき、排気ガス（エミッション）を低減できる、という知見を得た。また、燃焼速度が大きくなると、ノッキングし難くなる、という知見を得た。
【０００９】
このような知見に基づいて、前記課題を解決するための手段として、本発明は、軽油を燃焼するディーゼル内燃機関と、前記ディーゼル内燃機関に水素を含む水素含有ガスを添加する水素含有ガス添加手段と、前記水素含有ガス添加手段による水素添加量を、水素添加によるオクタン価、セタン価の変動を考慮して設定された水素添加量データに基づいて決定する水素添加量決定手段と、前記ディーゼル内燃機関における燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、前記燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、前記ディーゼル内燃機関における燃焼が緩慢になるように、ＥＧＲ量を制御するＥＧＲ量制御手段と、を備え、前記ＥＧＲ量制御手段が、ＥＧＲ量を３５〜４５％に制御した後、前記水素添加量決定手段が、前記燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、前記ディーゼル内燃機関における燃焼が緩慢になるように、水素添加量を吸気に対して４ｖｏｌ％に決定することを特徴とする内燃機関システムである。
【００１０】
ここで、水素含有ガスは、高純度の水素や、水素を含む改質ガスを含む。
このような内燃機関システムによれば、水素添加量決定手段が、水素添加によるオクタン価、セタン価の変動を考慮して設定された水素添加量データに基づいて、水素添加量を決定し、決定された水素添加量となるように水素含有ガス添加手段が水素含有ガスを添加する。
【００１１】
このように、オクタン価、セタン価の変動を考慮して設定された水素添加量データに基づいて、水素添加量を決定するので、つまり、水素添加後の燃料のオクタン価、セタン価等の着火指数（着火性、燃焼性）を考慮したうえで、水素添加量を適切に決定するので、水素添加後の燃料の着火性・燃焼性は適切となる。
また、水素添加により、燃焼速度は大きく、そして、燃焼ロバスト性は高くなるので、内燃機関における燃焼変動率を小さくすると共に、内燃機関の熱効率を高め、排気ガス中のＮＯｘ等を低減できる。
【００１２】
また、前記内燃機関システムにおいて、前記水素添加量決定手段は、ＥＧＲ量を考慮して、水素添加量を決定することを特徴とする。
【００１３】
このような内燃機関システムによれば、水素添加量決定手段が、ＥＧＲ量を考慮して、水素添加量を決定するので、水素添加量をより適切にできる。
なお、ＥＧＲ量（率）が大きくなると、着火し難くなり、燃焼変動率が大きくなる傾向があるので、ＥＧＲ量（率）が大きくなると、水素添加量を増加させ、燃焼変動率が例えば５％以下となるように制御することが好ましい。
【００１４】
また、前記内燃機関システムにおいて、前記水素含有ガス添加手段が決定された水素添加量で水素含有ガスを添加した後において前記内燃機関でノッキングが発生した場合、前記水素添加量決定手段は水素添加量を増加させることを特徴とする。
【００１５】
このような内燃機関システムによれば、水素含有ガスを添加した後において内燃機関でノッキングが発生した場合、水素添加量決定手段は水素添加量を増加させるので、燃焼性が高まり、その後におけるノッキングを抑制できる。
【００１６】
また、前記内燃機関システムにおいて、前記水素含有ガス添加手段が決定された水素添加量で水素含有ガスを添加した後、前記水素添加量決定手段は、前記内燃機関における着火遅れ時間が所定時間以上となるように、水素添加量を補正することを特徴とする。
【００１７】
このような内燃機関システムによれば、水素添加量決定手段が、内燃機関における着火遅れ時間が所定時間以上となるように、水素添加量を補正するので、着火遅れ時間を所定時間以上で確保できる。
【００１９】
このような内燃機関システムによれば、ＥＧＲ量制御手段が、燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態（後記する実施形態では、圧力センサの検出する筒内圧）に基づいて、内燃機関における燃焼が緩慢になるように、ＥＧＲ量を制御する、つまり、ＥＧＲ量（率）を増加させる。
【００２０】
このようにして、ＥＧＲ量が増加すると、内燃機関における熱効率をほとんど低下させずに（後記する図１５参照）、内燃機関のクランク角に対する熱発生率を遅らせると共に（後記する図１６Ａ〜図１６Ｄ参照）、（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘ及び最大筒内圧Ｐｍａｘを下げ（後記する図１３、図１４参照）、そして、内燃機関の排気ガス中のＮＯを下げることができる（後記する図１７参照）。
【００２２】
このような内燃機関システムによれば、水素添加量決定手段が、燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、内燃機関における燃焼が緩慢になるように、水素添加量を決定する、つまり、水素添加量を増加させる。そして、この増加して決定された水素添加量に従って、水素含有ガス添加手段が水素含有ガスを添加する。
【００２３】
このようにして、水素添加量が増加すると、（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘ及び最大筒内圧Ｐｍａｘを下げ（後記する図１３、図１４参照）、クランク角に対する熱発生率をさらに遅らせると共に（後記する図１６Ａ〜図１６Ｄ参照）、排気ガス中のＣＯ、ＴＨＣ（Total Hydro Carbon、全炭化水素）及び煤（Soot）を低減できる（後記する図１８〜図２０参照）。
【００２５】
このような内燃機関システムによれば、ＥＧＲ量制御手段がＥＧＲ量を３５〜４５％に制御した後、水素添加量決定手段が、燃焼状態検出手段の検出する燃焼状態に基づいて、内燃機関における燃焼が緩慢になるように、水素添加量を決定するので、内燃機関における燃焼を緩慢燃焼にさらに近づけることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、着火性・燃焼性の変動を考慮しつつ水素添加し、内燃機関の熱効率が高い内燃機関システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１参考形態に係る内燃機関システムの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る内燃機関システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】エンジンの回転速度と、エンジンの必要トルク（負荷）と、水素添加量との関係を示すマップである。
【図４】ガソリンに水素添加した場合における水素添加率（発熱量％）と水素添加されたガソリンのオクタン価との関係を示すグラフである。
【図５】吸気空気への水素添加量（ｖｏｌ％）とＯＨラジカル発生量との関係を示すグラフである。
【図６】ガソリンエンジンにおけるＥＧＲ率（％）と燃焼変動率（％）との関係を示すグラフである。
【図７】ガソリンエンジンにおける圧縮比と熱効率（％）との関係を示すグラフである。
【図８】第２参考形態に係る内燃機関システムの動作を示すフローチャートである。
【図９】軽油に水素添加した場合における水素添加率（発熱量％）と水素添加された軽油のセタン価との関係を示すグラフである。
【図１０】軽油におけるセタン価とオクタン価との関係を示すグラフである。
【図１１】ディーゼルエンジンの排気ガス中の一酸化窒素（ｇ／ｋＷｈ）とスモーク（％）との関係を示すグラフである。
【図１２】第１実施形態に係る内燃機関システムの動作を示すフローチャートである。
【図１３】ＥＧＲ率及び水素添加率と、（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘとの関係を示すグラフである。
【図１４】クランク角、ＥＧＲ率及び水素添加率と、筒内圧との関係を示すグラフである。
【図１５】ＥＧＲ率及び水素添加率と熱効率との関係を示すグラフである。
【図１６Ａ】ＥＧＲ率が０％の場合において、クランク角及び水素添加率と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１６Ｂ】ＥＧＲ率が２０％の場合において、クランク角及び水素添加率と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１６Ｃ】ＥＧＲ率が３０％の場合において、クランク角及び水素添加率と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１６Ｄ】ＥＧＲ率が４０％の場合において、クランク角及び水素添加率と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１７】ＥＧＲ率及び水素添加率と排気ガス中のＮＯとの関係を示すグラフである。
【図１８】ＥＧＲ率及び水素添加率と排気ガス中のＣＯとの関係を示すグラフである。
【図１９】ＥＧＲ率及び水素添加率と排気ガス中のＴＨＣとの関係を示すグラフである。
【図２０】ＥＧＲ率及び水素添加率とＳｏｏｔ（煤）との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
≪第１参考形態≫
以下、本発明の第１参考形態について、図１〜図７を参照して説明する。
【００２９】
≪内燃機関システムの構成≫
図１に示す第１参考形態に係る内燃機関システム１は、図示しない車両に搭載されている。
内燃機関システム１は、ガソリン（燃料）を燃焼するガソリンエンジン１０Ａ（内燃機関）と、ガソリンエンジン１０Ａにガソリンを供給する燃料供給系（燃料供給手段）と、排気ガスの一部を吸気系に導き排気ガスを循環させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気ガス再循環）系と、ガソリンエンジン１０Ａに水素（水素含有ガス）を添加する水素添加系（水素含有ガス添加手段）と、これらを電子制御する制御手段であるＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００３０】
＜ガソリンエンジン＞
ガソリンエンジン１０Ａは、４サイクル（吸入、圧縮、燃焼・膨張、排気）を繰り返す４ストローク機関であって、内部に気筒１１ａ（シリンダ）が形成されたシリンダブロック１１と、気筒１１ａ内を往復運動するピストン１２と、内部に吸気ポート１３ａ及び排気ポート１３ｂが形成されたヘッドカバー１３と、吸気ポート１３ａに設けられた吸気弁１４と、排気ポート１３ｂに設けられた排気弁１５と、を備えている。
なお、簡単に説明するため、図１では、１つの気筒１１ａのみを記載しているが、気筒１１ａの数、気筒１１ａの配列、ガソリンエンジン１０Ａの排気量は、変更自由である。
【００３１】
吸気ポート１３ａには、吸気配管２１ａが接続されている。そして、ガソリンエンジン１０Ａが作動すると、車外の空気が自然吸気され、吸気配管２１ａを通って、吸気ポート１３ａに向かうようになっている。
排気ポート１３ｂには、排気配管３１ａが接続されている。そして、ガソリンエンジン１０Ａからの排気ガスは、排気配管３１ａを通って、車外に排出されるようになっている。
【００３２】
また、ガソリンエンジン１０Ａには、圧力センサ１６（燃焼状態検出手段）、クランク角センサ１７、ノックセンサ１８が取り付けられている。圧力センサ１６は、気筒１１ａ内の圧力（筒内圧）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。クランク角センサ１７は、クランクシャフト（図示しない）の角度（クランク角）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。ノックセンサ１８は、ガソリンエンジン１０Ａのノッキング状態を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
その他、ガソリンエンジン１０Ａには、点火プラグ（図示しない）が取り付けられている。点火プラグによる点火のタイミングは、クランク角センサ１７から入力されるクランク角に基づいて、ＥＣＵ７０によって制御される。
【００３３】
＜燃料供給系＞
燃料供給系は、ガソリンを貯溜する燃料タンク４１と、ガソリンを圧送する燃料ポンプ４２と、ガソリンを噴射する燃料インジェクタ４３（燃料用インジェクタ）と、を備えている。
燃料タンク４１は、配管４１ａ、燃料ポンプ４２、配管４２ａを介して、燃料インジェクタ４３に接続されている。そして、燃料ポンプ４２がＥＣＵ７０の指令に従って作動すると、燃料タンク４１のガソリンが、燃料インジェクタ４３に圧送されるようになっている。
【００３４】
燃料インジェクタ４３は、ヘッドカバー１３に取り付けられており、ＥＣＵ７０からの指令に従って作動（開弁）すると、ガソリンが気筒１１ａ内に直接噴射されるようになっている。ただし、噴射位置はこれに限定されず、吸気ポート１３ａに噴射される構成でもよい。
また、燃料インジェクタ４３は、ＥＣＵ７０に電子制御されるリニアソレノイド型で常閉型の電磁弁で構成されている。これにより、燃料インジェクタ４３は、ＥＣＵ７０の指令に従って高精度で開／閉し、よって、ガソリンの噴射量、噴射タイミング、噴射時間が高精度で制御されるようになっている。
【００３５】
＜ＥＧＲ系＞
ＥＧＲ系は、吸気側に戻す排気ガスの流量を制御可能な流量制御弁であるＥＧＲ弁５１を備えている。
そして、排気配管３１ａの途中は、配管５１ａ、ＥＧＲ弁５１、配管５１ｂを介して、吸気配管２１ａに接続されている。次いで、ＥＧＲ弁５１の開度が、ＥＣＵ７０によって制御されることで、排気ガスの一部が吸気側に戻され、排気ガスが再循環し、ＥＧＲ率（排気ガスの添加割合）が制御されるようになっている。
【００３６】
＜水素添加系＞
水素添加系は、水素が高圧で封入された水素タンク６１と、水素の圧力を所定圧力に減圧するレギュレータ６２（減圧弁）と、水素インジェクタ６３（水素用インジェクタ）と、を備えている。
水素タンク６１は、配管６１ａ、レギュレータ６２、配管６２ａを介して、水素インジェクタ６３に接続されており、水素タンク６１の水素は、レギュレータ６２で減圧された後、水素インジェクタ６３に供給されるようになっている。
【００３７】
水素インジェクタ６３は、ヘッドカバー１３に取り付けられており、ＥＣＵ７０からの指令に従って作動（開弁）すると、水素が吸気ポート１３ａに噴射されるようになっている。
【００３８】
また、水素インジェクタ６３は、燃料インジェクタ４３と同様に、リニアソレノイド型で常閉型の電磁弁で構成されている。これにより、水素インジェクタ６３は、ＥＣＵ７０の指令に従って高精度で開／閉し、よって、水素の噴射量、噴射タイミング、噴射時間が高精度で制御されるようになっている。
したがって、第１参考形態において、ガソリンエンジン１０Ａ（内燃機関）に水素（水素含有ガス）を添加する水素含有ガス添加手段は、水素タンク６１と、水素インジェクタ６３と、ＥＣＵ７０と、を備えて構成されている。
【００３９】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０（制御手段）は、内燃機関システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御する。
また、ＥＣＵ７０には、アクセル開度センサ８１の検出したアクセル開度（スロットル開度）が入力されるようになっている。
【００４０】
＜ＥＣＵ−水素添加量決定機能＞
また、ＥＣＵ７０（水素添加量決定手段）は、ガソリンエンジン１０Ａの回転速度と、ガソリンエンジン１０Ａに要求される必要トルク（出力）と、その内部に記憶された図３のマップ（水素添加量データ）とに基づいて、水素添加量を決定する機能を備えている。
具体的な方法は、後で説明する。
【００４１】
≪内燃機関システムの動作≫
次に、内燃機関システム１の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。
なお、図２に示す制御処理は、例えば、一定のクランク角毎に周期的に実行される。
【００４２】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、アクセル開度センサ８１からのアクセル開度に基づいて、ガソリンエンジン１０Ａが目標値とすべき必要トルク（負荷）を算出する。
なお、この算出に際しては、アクセル開度と必要トルクとが関連付けられたマップが参照され、アクセル開度が大きくなると必要トルクが大きくなる関係となっている。
【００４３】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０１で算出した必要トルクと、ガソリンエンジン１０Ａの回転速度と、その内部に記憶された図３のマップ（水素添加量データ）とに基づいて、水素添加量を算出する。
なお、ガソリンエンジン１０Ａの回転速度は、クランク角センサ１７から入力されるクランク角に基づいて算出される。
【００４４】
＜水素添加量データ−ガソリンエンジン＞
図３は、ある一のＥＧＲ率（例えば２０％）において、ガソリンエンジン１０Ａの回転速度と必要トルクとにおける最適な水素添加量を、便宜的に複数の領域に分けて模式的に例示するマップである。
つまり、ＥＣＵ７０には、ＥＧＲ率が１５％、２０％、２５％、３０％の様に、各ＥＧＲ率毎に、図３と同様のマップが複数記憶されている。そして、ＥＣＵ７０は、現在のＥＧＲ率に基づいて、参照すべきマップを選択し、選択したマップにおける必要トルク（負荷）及び回転速度とに基づいて、今回の水素添加量を算出するようになっている。
【００４５】
そして、図３において、左下から右上に向かうにつれて、つまり、回転速度が高くなるにつれて、必要トルクが大きくなるにつれて、目標となる水素添加量が多くなる傾向となっている。
なお、図３では、水素添加量の多少をハッチングの濃淡で示しており、濃い領域になるにつれて、水素添加量が多くなることを示している。
【００４６】
ここで、ガソリンエンジン１０Ａの場合について、図３のように、領域を設定する方法を説明する。
まず、ガソリンエンジン１０Ａでは、例えばポンピングロス（吸気抵抗損失）を減らすためにＥＧＲ率が高められるが、単にＥＧＲ率を高めると燃焼変動率（Ｃ．Ｏ．Ｖ  ＩＭＥＰ）が増加してしまうので、水素を添加することにより、燃焼変動率の抑制が図られる。
【００４７】
このように水素が添加されると燃焼変動率が小さくなるのは、水素は着火性が低いが、燃焼速度が大きいので、水素が添加されると、添加後の全体の燃焼速度は大きくなるからである。
なお、燃焼速度が大きくなるとは、燃焼についてのロバスト性（燃焼ロバスト性）が高くなることを意味している。
【００４８】
すなわち、図４に示すように、ガソリンへの水素添加量が増加すると、添加後の全体のオクタン価は大きくなり、着火性は低くなり、燃焼速度は大きくなり、燃焼ロバスト性は高くなる。よって、図４のＹ軸タイトルである「水素添加されたガソリンのオクタン価」は、水素添加後のガソリン全体の着火性、燃焼性（燃焼速度）、燃焼ロバスト性を示す一指数（パラメータ）となる。
【００４９】
なお、図４は、市販のレギュラーガソリンへの水素の添加率と、水素が添加されたレギュラーガソリンのオクタン価との関係を示すグラフである。水素の添加率は、水素添加されたレギュラーガソリン全体の発熱量における水素の割合で与えられる。また、「ＳＡＥ  Ｐａｐｅｒ  ２００４−０１−０９７５」によれば、水素のオクタン価は１４０であると示されている。
そして、図４は、水素が添加されていないレギュラーガソリンのオクタン価を仮に９０とした場合、オクタン価が１４０である水素が１０％添加された水素添加後のレギュラーガソリンのオクタン価は、９５であると推定されることを示している（図４の矢印参照）。
【００５０】
ここで、水素添加によって、燃焼速度は大きくなり、燃焼ロバスト性は高くなるのは、水素の燃焼速度が大きく、水素が高い燃焼ロバスト性を有するからと考えられる。これは、水素が燃焼反応過程で、強い酸化剤であるＯＨラジカル（中間体）を生成し、水素添加量が増加すると、ＯＨラジカル量も増加するためと考えられる（図５参照）。
なお、図５は、吸気空気への水素添加量（ｖｏｌ％）が増加すると、ＯＨラジカルの発生量が増加することを示している。
【００５１】
このように、水素添加量が増加すると、燃焼速度が大きくなると共に、ロバスト性が高くなり、燃焼変動率が小さくなる。そして、燃焼変動率が小さくなるので、ＥＧＲ率を高め、燃焼温度を下げつつ、ポンピングロスを小さくでき、燃費を高めることが可能となる。
また、水素添加によりオクタン価（燃焼速度）が向上するので、ノッキングが抑制されることになる。
さらに、燃焼温度の低下と、オクタン価の向上との相乗効果により、圧縮比を高めることも可能となり、より燃費を高めることも可能となる。
【００５２】
そこで、水素添加量は、水素添加によるこれらの効果を考慮したうえで、事前試験等によって、ＥＧＲ率（例えば１５％、２０％、２５％、３０％）毎に、ガソリンエンジン１０Ａの回転速度及び必要トルクに対応して、燃焼変動率が例えば５％以下となるように、設定される。
そして、このようにして設定された水素添加量をまとめて便宜的に領域に分けて示したものが図３のマップである。
【００５３】
図２に戻って説明を続ける。
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０２で算出した水素添加濃度となるように、水素インジェクタ６３を制御して、水素を添加する。
【００５４】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、所望のＥＧＲ率になるように、ＥＧＲ弁５１を制御する。なお、目標とするＥＧＲ率は、排気ガス温度等に基づいて、排気ガス温度が高くなり過ぎないように、例えば３０％に設定される。
【００５５】
そして、ＥＣＵ７０は、ＥＧＲ率をこのように制御しながら、現在のＥＧＲ率と、ガソリンエンジン１０Ａの回転速度及び必要トルクと、現在のＥＧＲ率に対応した図３のマップとに基づいて、燃焼変動率が５％以下となるように、水素添加濃度を再び算出する。具体的には、ＥＧＲ率が大きくなると、つまり、吸気空気に混入される排気ガス量が増加すると、燃焼変動率を小さくするため、水素添加濃度を増加させる関係となっている。
なお、燃焼変動率は、圧力センサ１６から入力される筒内圧に基づいて算出される。
【００５６】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０４で算出した水素添加濃度となるように、水素インジェクタ６３を制御し、水素を添加する。
ここで、図３のマップは、事前試験等により燃焼変動率が５％以下になるように設定されたものであるから、ステップＳ１０４で算出された水素添加量に従ってステップＳ１０５で水素を添加することにより、燃焼変動率は５％以下に抑えられる（図６参照）。
【００５７】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、ノックセンサ１８を介して、ノッキングを検出した否か判定する。
ノッキングを検出したと判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０７に進む。一方、ノッキングを検出していないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。
【００５８】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、水素インジェクタ６３を制御し、水素を追加して添加する。
このように、ノッキングを検出した場合、水素を添加することにより、つまり、水素添加量を増加させることにより、水素添加後の全体のオクタン価、燃焼速度が大きくなり、その結果、ガソリンエンジン１０Ａにおける圧縮比が高まり、熱効率が向上する（図７参照）。なお、水素添加量は、例えば、ノッキングの検出頻度が多くなるほど、多くすることが好ましい。
【００５９】
その後、ＥＣＵ７０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。
【００６０】
≪内燃機関システムの効果≫
このような内燃機関システム１によれば、次の効果を得る。
ガソリンエンジン１０Ａの必要トルク（負荷）、回転速度に基づいて、水素添加後のガソリンの着火性、オクタン価、燃焼速度、燃焼ロバスト性等が最適となるように水素添加濃度を決定して水素添加し（Ｓ１０２、Ｓ１０３）、さらに、現在のＥＧＲ率に対応した水素添加量を決定して水素添加するので（Ｓ１０４、Ｓ１０５）、燃焼変動率を５％以下にしつつ、広い運転領域（ＥＧＲ率）におけるガソリンエンジン１０Ａの低温燃焼を実現できる（図６参照）。
【００６１】
すなわち、このように制御することで、大量ＥＧＲ（高いＥＧＲ率）による吸気抵抗損失（ポンピングロス）と、ノッキングとを抑制できる。つまり、図６に示すように、ＥＧＲ率を増加させると、燃焼変動率が増加するが、本実施形態のように水素を添加することで、燃焼速度及び燃焼ロバスト性が高くなり、ＥＧＲ率が３０％となっても燃焼変動率は５％以内となり、高いＥＧＲ率のまま、ガソリンエンジン１０Ａを運転することができる（図６の実施例参照）。
なお、水素を添加しないと、図６の比較例に示すように、ＥＧＲ率が２０％を超えると、燃焼変動率が５％を超えてしまう。つまり、第１参考形態では、比較例に対して、ロバスト性が格段に改善されている。
【００６２】
また、このような高いＥＧＲ率とすると、燃焼温度を下げ、低温燃焼とすることができる。これにより、圧縮率をさらに高め、吸気抵抗損失（ポンピングロス）を低減し、熱効率を向上させ、排気ガスを低減できる。
【００６３】
さらに、ノッキングを検出した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、高オクタン価である水素をさらに添加するので（Ｓ１０７）、これにより、オクタン価が高められ、図７に示すように、圧縮比を高めることができ、その結果、ガソリンエンジン１０Ａの熱効率を高めることができる。
【００６４】
≪変形例≫
以上、本発明の第１参考形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、後記する実施形態と適宜に組み合わせたり、次のように変更できる。
前記した実施形態では、ガソリンが気筒１１ａ内に直接噴射される直噴型のガソリンエンジン１０Ａを例示したが、その他、ガソリンが吸気ポート１３ａに噴射されるポート噴射型のガソリンエンジン１０Ａでもよい。
【００６５】
前記した実施形態では、燃料として車両用のガソリンを使用する構成を例示したが、その他に例えば、軽油、バイオ燃料、ＤＭＥ（Dimethyl ether）、ＧＴＬ（gas to liquids）、これらが混合された混合燃料も使用できる。
なお、燃料に含まれる炭化水素類は、例えば、アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族化合物、アルコール類、アルデヒド類、エステル類である。また、バイオ燃料は、例えば、エタノール、脂肪酸メチルエステル等である。
【００６６】
前記した実施形態では、水素含有ガス添加手段が、水素タンク６１、水素インジェクタ６３等を備える水素添加系である構成を例示したが、水素添加系（水素タンク６１、水素インジェクタ６３等）に代えて、水素を含む改質ガス（水素含有ガス）を添加する改質ガス添加系で、水素含有ガス添加手段を構成してもよい。
【００６７】
この場合、改質ガス添加系（水素含有ガス添加手段）は、燃料を改質し水素を含む改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを圧送するポンプと、水素を含む改質ガスを噴射する改質ガスインジェクタ（水素含有ガス用インジェクタ）と、を備えて構成される。
【００６８】
そして、改質器は、公知の技術に基づいて、その改質反応が、（１）水蒸気改質方法、（２）部分酸化方法、（３）水蒸気改質法と部分酸化法とを組み合わせたオートサーマル改質方法、（４）前記内燃機関がリッチ燃焼することで生成したガスを水性ガスシフト反応させる方法、の少なくとも１つの方法に基づいて生じるように構成される。
【００６９】
また、改質器は、その改質反応が、ガソリンエンジン１０Ａの排気ガス、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、及び、水蒸気、の少なくとも１つのガス雰囲気下で行われるように構成される。
【００７０】
≪第２参考形態≫
次に、本発明の第２参考形態について、図１、図３、図８〜図１１を参照して説明する。
【００７１】
≪内燃機関システムの構成≫
第２参考形態に係る内燃機関システム２は、ガソリンエンジン１０Ａに代えて、軽油を燃焼させるディーゼルエンジン１０Ｂ（ディーゼル内燃機関）を備えている（図１参照）。
ここで、ディーゼルエンジン１０Ｂは、気筒１１ａ内に噴射された軽油を圧縮することで自己着火させるものであり、点火プラグを備えていない。ただし、ディーゼルエンジン１０Ｂは、ガソリンエンジン１０Ａと同様に、シリンダブロック１１、ピストン１２と、ヘッドカバー１３、吸気弁１４、排気弁１５を備えている。
【００７２】
また、第２参考形態では、燃料タンク４１に軽油が貯溜され、燃料ポンプ４２は軽油を燃料インジェクタ４３に圧送するようになっている。そして、燃料インジェクタ４３は、気筒１１ａ内に軽油を直接噴射するようになっている。
【００７３】
≪内燃機関システムの動作≫
次に、内燃機関システム２の動作について、図８のフローチャートを参照して説明する。
なお、第２参考形態において、ＥＣＵ７０は第１参考形態と同様に、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理を実行する。
因みに、第２参考形態では、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、必要トルクとディーゼルエンジン１０Ｂの回転速度と、現在のＥＧＲ率と、現在のＥＧＲ率に対応した図３のマップとに基づいて、水素添加量を算出する。
【００７４】
＜水素添加量データ−ディーゼルエンジン＞
ここで、ディーゼルエンジン１０Ｂの場合について、図３のように、領域を設定する方法を説明する。
まず、ディーゼルエンジン１０Ｂでは、例えば、中高負荷領域において、排気ガス（エミッション、ＮＯｘ）、煤（Soot）を低減するため、予混合燃焼を促進させる低セタン価の燃料が望まれる。予混合は、着火遅れ時間を長くするために行われる。
そこで、第２参考形態では、着火性の低い水素を軽油に添加することで、着火遅れ時間及び予混合燃焼を制御し、排気ガス等の低減を図っている。
【００７５】
すなわち、図９に示すように、軽油への水素添加量が増加すると、添加後の全体のセタン価は小さくなり、着火性は低くなり、燃焼速度は大きくなり、燃焼ロバスト性は高くなる。よって、図９のＹ軸タイトルである「水素添加された軽油のセタン価」は、水素添加後の軽油全体の着火性、燃焼性（燃焼速度）、燃焼ロバスト性を示す一指数（パラメータ）となる。
【００７６】
図９は、市販の軽油への水素の添加率と、水素が添加された軽油のセタン価との関係を示すグラフである。水素の添加率は、水素添加された軽油全体の発熱量における水素の割合で与えられる。
そして、図９は、水素が添加されていない軽油（ＪＩＳ２号軽油）のセタン価を仮に５５とした場合、セタン価が−５７であると推定される水素が１０％添加された水素添加後の軽油のセタン価は、４０であると推定されることを示している（図９の矢印参照）。
【００７７】
因みに、水素のセタン価が−５７であることは、市販の軽油におけるセタン価とオクタン価との関係を示す図１０のグラフと、「ＳＡＥ  Ｐａｐｅｒ  ２００４−０１−０９７５」によれば水素のオクタン価は１４０であることと、に基づいて推定される（図１０の矢印参照）。
【００７８】
そこで、水素添加量は、事前試験等によって、ＥＧＲ率（例えば１５％、２０％、２５％、３０％、４０％）毎に、ディーゼルエンジン１０Ｂの回転速度及び必要トルクに対応して、着火遅れ時間が所定時間以上となるように、設定される。
なお、所定時間は、ディーゼルエンジン１０Ｂの必要トルク（負荷）が大きくなるにつれて、長くなるように設定される。これは、ディーゼルエンジン１０Ｂの必要トルク（負荷）が大きくなるにつれて、特に中高負荷領域では排気ガスを低減するため、着火性の低い水素を添加して、着火遅れ時間を長くし、燃焼前に良好に予混合するためである。
そして、このようにして設定された水素添加量をまとめて便宜的に領域に分けて示したものが図３のマップである。
【００７９】
そして、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０２で算出した水素添加濃度となるように、水素インジェクタ６３を制御して、水素を添加する。
【００８０】
続いて、ステップＳ２０４において、ＥＣＵ７０は、所望のＥＧＲ率となるようにＥＧＲ弁５１を制御する。なお、目標とするＥＧＲ率は、排気ガス温度等に基づいて、排気ガス温度が高くなり過ぎないように、例えば３０％〜４０％に設定される。
【００８１】
そして、ＥＣＵ７０は、ＥＧＲ率をこのように制御しながら、現在のＥＧＲ率と、ディーゼルエンジン１０Ｂの回転速度及び必要トルクと、現在のＥＧＲ率に対応した図３のマップとに基づいて、着火遅れ時間が所定時間以上となるように、水素添加濃度を再び算出（補正）する。
【００８２】
なお、現在の着火遅れ時間は、圧力センサ１６を介して検出される筒内圧の変化に基づいて算出される。その他、着火遅れ時間を、電流センサ（図示しない）が検出する筒内圧センサの電流値変化に基づいて算出する構成としてもよい。
【００８３】
ステップＳ２０５において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０４で算出した水素添加濃度となるように、水素インジェクタ６３を制御し、水素を添加する。
【００８４】
ステップＳ２０６において、ＥＣＵ７０は、着火遅れ時間を所定時間以上で確保しながら、最適な軽油の噴射タイミングを決定する。
なお、最適な軽油の噴射タイミングは、ディーゼルエンジン１０Ｂの熱効率がより大きくなり、そして、（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘがより小さい値となるタイミングに決定される。（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘは、単位クランク角当たりの筒内圧の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）の最大値であり、（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘが小さくなると、ディーゼルエンジン１０Ｂの騒音・振動が小さくなる。
【００８５】
ステップＳ２０７において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０６で決定した噴射タイミングに従って、燃料インジェクタ４３を制御し、軽油を噴射する。
【００８６】
≪内燃機関システムの効果≫
このような内燃機関システム２によれば、次の効果を得る。
着火性の低い水素を添加することで、着火遅れ時間が所定時間以上で確保されるので（Ｓ１０２、Ｓ１０３、Ｓ２０４、Ｓ２０５）、軽油と空気とが予混合されやすくなる。これにより、図１１に示すように、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減しつつ、排気ガスに含まれる煙（Smoke）、煤（Soot）も低減できる。
【００８７】
また、水素は、着火性が低いものの、前記したように、燃焼速度が大きく、燃焼ロバスト性が高いので、水素を添加することで、ＥＧＲ率を高めることができ、その結果、低温で燃焼させることが可能となり、ＮＯｘの低減を図ることができる。
なお、図１１の比較例に示すように、従来、煙を低減させるとＮＯｘが増加し、逆に、ＮＯｘを低減させると煙が増加するという、ＮＯｘ量と煙量とはトレードオフの関係にある。
【００８８】
また、着火遅れ時間を所定時間以上で確保しつつ、軽油の噴射タイミングを最適化するので（Ｓ２０６、Ｓ２０７）、ディーゼルエンジン１０Ｂの熱効率を向上させることができる。
【００８９】
≪第１実施形態≫
次に、本発明の第１実施形態について、図１２〜図２０を参照して説明する。
第１実施形態に係る内燃機関システムは、第２参考形態に対して、ＥＣＵ７０に設定されたプログラムが一部異なり、その動作が一部異なる。以下、異なる部分のみを説明する。
【００９０】
図１２に示すように、第１実施形態において、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０３の後、ステップＳ３０１に進む。
ステップＳ３０１において、ＥＣＵ７０は、圧力センサ１６（燃焼状態検出手段）から入力される筒内圧に基づいて算出される（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘと、図１３のグラフ（マップ）とに基づいて、ディーゼルエンジン１０Ｂにおける燃焼が緩慢となるように、ＥＧＲ率（量）が３５〜４５％、好ましくは４０％程度となるように、ＥＧＲ弁５１の開度を制御する。
【００９１】
したがって、第１実施形態において、ＥＧＲ量を制御するＥＧＲ量制御手段は、ＥＧＲ弁５１と、これを制御するＥＣＵ７０とを備えて構成されている。
なお、図１３は、軽油の噴射圧力を１５０（ＭＰａ）、１ストローク当たりの噴射量Ｑを２９．８（ｍｍ３／ｓｔｒｏｋｅ）とした場合を例示しており、その他の噴射圧力、噴射量についてのグラフ（マップ）もＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００９２】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ７０は、現在のＥＧＲ率と、ディーゼルエンジン１０Ｂの回転速度及び必要トルクと、現在のＥＧＲ率に対応した図３のマップとに基づいて、着火遅れ時間が所定時間以上となり、かつ、（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘが下がるように、水素添加濃度を再び算出（補正）する。すなわち、ＥＣＵ７０は、現在のＥＧＲ率、回転速度、必要トルク及び図３のマップと、圧力センサ１６から入力される筒内圧（圧力信号）を制御指標として、水素添加量の増減を補正している。
【００９３】
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進む。
【００９４】
≪内燃機関システムの効果≫
このような第１実施形態に係る内燃機関システムによれば、次の効果を得る。
ＥＧＲ率（量）を３５〜４５％に、望ましくは４０％程度となるように制御するので（Ｓ３０１）、（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘ、Ｐｍａｘを下げて、緩衝燃焼に近づけることができる（図１３、図１４参照）。そして、水素をさらに添加するので、（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘ、Ｐｍａｘを下げて、緩衝燃焼に近づけることができる（図１３、図１４参照）。
【００９５】
このようにして、最大筒内圧Ｐｍａｘを下げることができるので、ディーゼルエンジン１０Ｂの骨格を軽量化でき、燃料消費及びフリクションを抑えることができる。
【００９６】
また、ＥＧＲ率（量）を増加させると、図１５、図１６Ａ〜図１６Ｄに示すように、熱効率を同等としつつ（図１５参照）、クランク角に対する熱発生率を遅らせる、つまり、遅角化できる。
【００９７】
そして、さらに水素を添加すると、熱発生率をさらに遅角化して予混合化を促進し、緩慢燃焼できる（図１６Ａ〜図１６Ｄ参照）。このように、水素を添加すると、熱発生率がさらに遅角化するが、図１３に示すように、熱効率は水素を添加しない場合（水素０ｖｏｌ％）と略同等となる。これは、緩慢燃焼により熱損失が小さくなったことと、水素の添加によりロバスト性が高くなったことによると考えられる。
【００９８】
なお、図１６Ａ〜図１６Ｄでは、軽油の噴射量を２９．８（ｍｍ３／ｓｔｒｏｋｅ）とし、燃料噴射のタイミングをＢＤＴＣ（Before Top Dead Center、圧縮上死点）２ｄｅｇ．とした場合を例示している。
【００９９】
さらに、熱効率を同等としつつ（図１５参照）、（ｄＰ／ｄθ）ｍａｘを下げることができるので（図１３参照）、中高負荷領域において、ディーゼルエンジン１０Ｂの騒音・振動を大幅に低減できる。その結果、パイロット噴射の回数を減らす、又は、パイロット噴射自体を省略でき、燃料消費を抑えることができる。
【０１００】
さらにまた、ＥＧＲ率（量）を増加させることにより、図１７に示すように、排気ガス中のＮＯを低減でき、水素を添加することにより、さらにＮＯを低減できる。
これは、緩慢燃焼に近づくことにより、局所的な高温燃焼の部分が少なくなったためと考えられる。
【０１０１】
また、水素を添加すると、排気ガス中のＣＯ、ＴＨＣを低減できる（図１８、図１９参照）。これは、水素を添加することにより、燃焼についてのロバスト性が高くなったからと考えられる。
【０１０２】
さらに、水素を添加すると、排気ガス中のＳｏｏｔ（煤）を低減できる（図２０参照）。ここで、水素を添加しない場合、ＥＧＲ率が増加するにつれてＳｏｏｔが増加するが、水素を添加することにより、Ｓｏｏｔ（煤）を略０％とできる。
これは、水素を添加することにより、（１）予備混合が促進され、（２）ロバスト性が高まることによりφ−Ｔマップ上の局所当量比の小さい部分が少なくなり、（３）また、緩慢燃焼に近づくためφ−Ｔマップ上の局所当量比の小さい部分が少なくなり、（４）
そして、水素の添加により、Ｓｏｏｔ（煤）の生成しにくい環境になったため、と考えられえる。
【符号の説明】
【０１０３】
１、２  内燃機関システム
１０Ａ  ガソリンエンジン（ガソリン内燃機関）
１０Ｂ  ディーゼルエンジン（ディーゼル内燃機関）
１６    圧力センサ（燃焼状態検出手段）
４１    燃料タンク（燃料供給手段）
４２    燃料ポンプ（燃料供給手段）
４３    燃料インジェクタ（燃料供給手段、燃料用インジェクタ）
５１    ＥＧＲ弁
６１    水素タンク（水素含有ガス添加手段）
６２    レギュレータ（水素含有ガス添加手段）
６３    水素インジェクタ（水素含有ガス添加手段、水素含有ガス用インジェクタ）
７０    ＥＣＵ（水素添加量決定手段、ＥＧＲ量制御手段）
８１    アクセル開度センサ
【図１】
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【図２】
0005551964.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005551964.tif 000014
【図１４】
0005551964.tif 000015
【図１５】
0005551964.tif 000016
【図１６Ａ】
0005551964.tif 000017
【図１６Ｂ】
0005551964.tif 000018
【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
0005551964.tif 000020
【図１７】
0005551964.tif 000021
【図１８】
0005551964.tif 000022
【図１９】
0005551964.tif 000023
【図２０】
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