(57)【要約】【課題】  内燃機関に供給される気体燃料の燃焼効率を向上可能な気体燃料燃焼制御システムを提供する。【解決手段】  ガスエンジン１１の燃焼室１３０にメタンガスを供給する燃料噴射弁３１は、点火プラグ１６の近傍に設けられる。ガスエンジン１１に空気を供給する第１吸気管は燃焼室１３０にスワール流を形成する。また、ガスエンジン１１に空気を供給する第２吸気管４２は燃焼室１３０にタンブル流を形成する。燃料噴射弁３１は、燃焼室１３０に供給された空気が圧縮されるとき、ＥＣＵ５０が算出するメタンガスの噴射時間および噴射開始時刻に基づいてメタンガスを点火プラグ１６の近傍に噴射する。これにより、燃焼室１３０の点火プラグ１６の近傍にメタンガスを多く含むメタンガスと空気との混合気の層を形成しつつ、シリンダブロック１３の内壁１３７の近傍に空気を多く含むメタンガスと空気との混合気の層を形成することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関における気体燃料の燃焼を制御する気体燃料燃焼制御システム（１、２、４）であって、
２つの吸気ポート（１３１、１３２）、排気ポート（１３５、１３６）、および、気体燃料と空気との混合気または気体燃料と空気と前記排気ポートを通る排気との混合気が供給される燃焼室（１３０）を形成する前記内燃機関（１１）と、
前記内燃機関に供給される気体燃料を貯留する燃料タンク（２１）と、
前記燃料タンクの気体燃料の圧力を調整する圧力調整手段（２３）と、
前記内燃機関の一方の吸気ポート（１３１）に接続し、前記燃焼室にスワール流を形成する空気または空気と前記排気との混合気を供給する第１吸気管（４１）と、
前記内燃機関の他方の吸気ポート（１３２）に接続し、前記燃焼室にタンブル流を形成する空気または気体燃料と空気との混合気または空気と前記排気との混合気または気体燃料と空気と前記排気との混合気を供給する第２吸気管（４２）と、
前記第１吸気管および前記第２吸気管が前記燃焼室に供給した空気または空気を含む混合気が圧縮されるとき、気体燃料または気体燃料と空気との混合気を前記燃焼室に直接噴射する燃料噴射弁（３１）と、
前記燃料噴射弁に供給される気体燃料の圧力を検出し、検出した気体燃料の圧力の大きさに応じた信号を出力する圧力検出手段（２４）と、
前記内燃機関のクランク角を検出し、検出したクランク角の大きさに応じた信号を出力するクランク角検出手段（１９）と、
前記圧力検出手段および前記クランク角検出手段が出力する信号に基づいて前記燃料噴射弁が噴射する気体燃料の圧力、噴射時間、および、噴射開始時刻を制御する制御手段（５０）と、
を備え、
前記燃料噴射弁が噴射する気体燃料または気体燃料と空気との混合気に含まれる気体燃料の割合は、前記第２吸気管が前記燃焼室に供給する空気または空気を含む混合気に含まれる気体燃料の割合より大きいことを特徴とする気体燃料燃焼制御システム。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は、前記内燃機関の吸気弁（１８）が閉弁したのち、気体燃料または気体燃料と空気との混合気を噴射することを特徴とする請求項１に記載の気体燃料燃焼制御システム。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、前記内燃機関のピストン（１２）が移動する方向に沿って気体燃料または気体燃料と空気との混合気を噴射することを特徴とする請求項１または２に記載の気体燃料燃焼制御システム。
【請求項４】
前記第２吸気管は、前記燃料タンク内の気体燃料を前記第２吸気管内に供給する気体燃料供給弁（４５）を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の気体燃料燃焼制御システム。
【請求項５】
前記第２吸気管は、前記気体燃料供給弁の下流に前記第２吸気管を流れる空気または空気を含む混合気の流量を制御する流量制御弁（４６）を備えることを特徴とする請求項４に記載の気体燃料燃焼制御システム。
【請求項６】
前記内燃機関のピストンは、前記燃料噴射弁側の端面（１２０）が前記燃料噴射弁に向かって凸状に形成される凸部（１２４）を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の気体燃料燃焼制御システム。
【請求項７】
前記圧力調整手段は、前記内燃機関の回転数に応じて前記燃料噴射弁に供給する気体燃料の圧力を調整することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の気体燃料燃焼制御システム。
【請求項８】
前記燃料噴射弁に空気を供給する空気供給手段（２５）を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の気体燃料燃焼制御システム。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の気体燃料燃焼制御システムによる気体燃料燃焼制御方法であって、
前記燃料噴射弁または前記燃料噴射弁および前記第２吸気管が前記燃焼室に供給する気体燃料の量を算出する供給量算出段階（Ｓ１０１）と、
前記圧力検出手段および前記クランク角検出手段が出力する信号に基づいて、前記燃料噴射弁、または、前記燃料噴射弁および前記第２吸気管が前記燃焼室に供給する気体燃料の圧力を算出する噴射圧算出段階（Ｓ１０２）と、
前記燃料噴射弁の噴射時間を算出する噴射時間算出段階（Ｓ１０４）と、
前記燃料噴射弁の噴射開始時刻を算出する噴射開始時刻算出段階（Ｓ１０５）と、
を含むことを特徴とする気体燃料燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室に供給される気体燃料の燃焼状態を制御する気体燃料燃焼制御システム、および、その気体燃料燃焼制御システムに用いる燃焼制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、メタンなどの炭化水素ガスを燃料とする気体燃料用内燃機関が知られている。気体燃料用内燃機関の燃焼室に供給される炭化水素ガスは、空気と混ざりにくく、また、可燃範囲が狭いため、当量比が量論当量比に比べて小さい混合気では燃焼しない。このため、気体燃料用内燃機関の燃焼では、燃焼室に炭化水素ガスと空気との混合気を供給するとき、炭化水素ガスを含む割合が比較的小さい混合気の層を燃焼室の内壁付近に形成しつつ、着火に適した割合の炭化水素ガスを含む混合気の層を点火プラグ付近に形成させる「成層燃焼法」が用いられる。特許文献１には、吸気管に２つの燃料噴射弁を備え、上流側の燃料噴射弁から噴射される炭化水素ガスを燃焼室に均一に拡散しつつ、下流側の燃料噴射弁から噴射される炭化水素ガスを点火プラグ付近に滞留させるガス燃料供給装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２２０２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のガス燃料供給装置では、上流側の燃料噴射弁はベンチュリ効果により炭化水素ガスと空気とを混合する。このため、炭化水素ガスの種類および理論空燃比に対応した炭化水素ガスの供給量を設定することができず、効率的に炭化水素ガスを燃焼することができない。また、特許文献１に記載のガス燃料供給装置では、吸気ポートを介して燃焼室に炭化水素ガスと空気との混合気が供給されるため、その後の圧縮行程により燃焼室の壁面近傍に燃焼が可能な混合気の層が形成され、壁面近傍での燃焼による冷損悪化および消炎による燃焼効率の低下を招くおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、内燃機関に供給される気体燃料の燃焼効率を向上可能な気体燃料燃焼制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内燃機関における気体燃料の燃焼を制御する気体燃料燃焼制御システムであって、内燃機関と、燃料タンクと、燃料タンクの気体燃料の圧力を調整する圧力調整手段と、内燃機関の燃焼室にスワール流を形成する空気または空気と排気との混合気を供給する第１吸気管と、内燃機関の燃焼室にタンブル流を形成する空気または気体燃料と空気との混合気または空気と排気との混合気または気体燃料と空気と排気との混合気を供給する第２吸気管と、第１吸気管および第２吸気管が燃焼室に供給した空気または空気を含む混合気が圧縮されるとき、気体燃料または気体燃料と空気との混合気を燃焼室に直接噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁に供給される気体燃料の圧力を検出し検出した気体燃料の圧力の大きさに応じた信号を出力する圧力検出手段と、内燃機関のクランク角を検出し検出したクランク角の大きさに応じた信号を出力するクランク角検出手段と、圧力検出手段およびクランク角検出手段が出力する信号に基づいて燃料噴射弁が噴射する気体燃料の圧力、噴射時間、および、噴射開始時刻を制御する制御手段と、を備え、燃料噴射弁が噴射する気体燃料または気体燃料と空気との混合気に含まれる気体燃料の割合は、第２吸気管が燃焼室に供給する空気または空気を含む混合気に含まれる気体燃料の割合より大きいことを特徴とする。
【０００７】
本発明の気体燃料燃焼制御システムでは、第１吸気管、第２吸気管、および、燃料噴射弁の３つの吸気系を使って燃焼室に混合気を供給する。第１吸気管は、空気または空気と排気との混合気を燃焼室に供給し、燃焼室にスワール流を形成する。また、第２吸気管は、空気または気体燃料と空気との混合気または空気と排気との混合気または気体燃料と空気と排気との混合気を燃焼室に供給し、タンブル流を形成する。また、燃料噴射弁は、第１吸気管および第２吸気管が燃焼室に供給した空気または空気を含む混合気が圧縮されるとき、第２吸気管が燃焼室に供給する空気または空気を含む混合気に含まれる気体燃料の割合より大きい割合で気体燃料を含む気体燃料と空気との混合気または気体燃料のみを噴射する。これにより、本発明の気体燃料燃焼制御システムでは、内燃機関での圧縮行程において、燃焼室の空気または空気を含む混合気を圧縮しつつ気体燃料または比較的多くの気体燃料を含む混合気を燃焼室に供給し、気体燃料と空気または気体燃料と空気と排気とを混合することができる。また、燃焼室の点火プラグ近傍に気体燃料を比較的多く含む層を形成しつつ燃焼室の壁面近傍に空気の層または気体燃料を含む割合が点火プラグ近傍の混合気に含まれる気体燃料の割合より小さい層を形成することができる。したがって、本発明の気体燃料燃焼制御システムでは、気体燃料を効率的に燃焼する「成層燃焼」が可能な混合気を燃焼室に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態による気体燃料燃焼制御システムの概念図である。
【図２】本発明の第１実施形態による気体燃料燃焼制御システムのガスエンジンの模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態による気体燃料燃焼制御システムにおける気体燃料燃焼制御方法のフローチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態による気体燃料燃焼制御システムの燃料噴射弁における燃料の噴射タイミングを説明する特性図である。
【図５】本発明の第２実施形態による気体燃料燃焼制御システムの概念図である。
【図６】本発明の第２実施形態による気体燃料燃焼制御システムにおけるメタンガス供給量を説明する特性図である。
【図７】本発明の第３実施形態による気体燃料燃焼制御システムの作用を説明する模式図である。
【図８】本発明の第３実施形態による気体燃料燃焼制御システムの作用を説明する模式図であって、図７とは異なる作用を説明する模式図である。
【図９】本発明の第３実施形態による気体燃料燃焼制御システムの作用を説明する模式図であって、図７、８とは異なる作用を説明する模式図である。
【図１０】本発明の第４実施形態による気体燃料燃焼制御システムの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による気体燃料燃焼制御システムを図１から図４に示す。
図１に示す気体燃料燃焼制御システム１は、「内燃機関」としてのガスエンジン１１、燃料タンク２１、レギュレータ２３、燃料噴射弁３１、第１吸気管４１（図２参照）、第２吸気管４２、および、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５０などを備える。気体燃料燃焼制御システム１は、燃料噴射弁３１により燃料タンク２１内の「気体燃料」としてのメタンガスをガスエンジン１１の燃焼室１３０に供給する一方、第１吸気管４１および第２吸気管４２により空気を燃焼室１３０に供給し、燃焼室１３０における燃焼に最適な「成層燃焼」を可能なメタンガスと空気との混合気を形成する。なお、図１および２には、ガスエンジン１１における吸気および排気の流れを矢印Ｓで示す。
【００１１】
ガスエンジン１１は、ピストン１２、シリンダブロック１３、コネクティングロッド１４、および、クランクシャフト１５などから構成される。ピストン１２、コネクティングロッド１４、および、クランクシャフト１５は、シリンダブロック１３内に収容されている。
【００１２】
シリンダブロック１３は、ピストン１２を往復移動可能に収容する。シリンダブロック１３の一方の端部側には、図２に示すように、第１吸気ポート１３１、第２吸気ポート１３２、噴射弁用貫通孔１３４、点火プラグ用貫通孔１３３、および、２つの排気ポート１３５、１３６が形成されている。噴射弁用貫通孔１３４には、燃料噴射弁３１が設けられる。点火プラグ用貫通孔１３３には、点火プラグ１６が設けられる。第１吸気ポート１３１、第２吸気ポート１３２、および、燃料噴射弁３１を介して燃焼室１３０に供給されるメタンガスおよび空気は、点火プラグ１６により着火燃焼し、燃焼後の燃焼室１３０に滞留する排ガスは、排気ポート１３５、１３６、および、排気ポート１３５、１３６に接続する排気管１７を介して外部に排出される。
【００１３】
シリンダブロック１３の他方の端部側には、クランクシャフト１５が収容されている。クランクシャフト１５は、コネティングロッド１４を介してピストン１２と連結している。クランクシャフト１５が収容されているシリンダブロック１３の他方の端部側には、クランクシャフト１５の回転角度（以下、「クランク角」という）を検出し、検出したクランク角に応じた信号をＥＣＵ５０に出力する「クランク角検出手段」としての回転角センサ１９が設けられている。
【００１４】
燃料タンク２１は、気体燃料供給管２２を介して燃料噴射弁３１に接続する。気体燃料供給管２２には、レギュレータ２３、および、圧力センサ２４が設けられている。燃焼タンク２１に貯留されているメタンガスは、ＥＣＵ５０から入力される信号に応じて「圧力調整手段」としてのレギュレータ２３により燃料噴射弁３１が噴射可能な圧力まで減圧される。減圧されたメタンガスは、圧力センサ２４を通って燃料噴射弁３１に供給される。「圧力検出手段」としての圧力センサ２４は、燃料噴射弁３１側の気体燃料供給管２２内のメタンガスの圧力を検出し、検出した圧力に応じた信号をＥＣＵ５０に出力する。
【００１５】
燃料噴射弁３１は、噴孔の外側にニードルが設けられ、噴射時に当該ニードルが外向きに移動することにより開弁する、いわゆる、外開弁である。燃料噴射弁３１は、噴射弁用貫通孔１３４に挿通され、シリンダブロック１３に固定されている。燃料噴射弁３１は、ＥＣＵ５０から入力される信号に応じてピストン１２が移動する方向に沿ってメタンガスを燃焼室１３０に供給する。
【００１６】
第１吸気管４１は、第１吸気ポート１３１と接続し、空気を燃焼室１３０に供給する。第１吸気管４１から燃焼室１３０に供給される空気は燃焼室１３０においてスワール流を形成する。
【００１７】
第２吸気管４２は、第２吸気ポート１３２と接続する。第１実施形態による気体燃料燃焼制御システム１の第２吸気管４２は、空気を燃焼室１３０に供給する。第２吸気管４２から燃焼室１３０に供給される空気は、燃焼室１３０においてタンブル流を形成する。
第１吸気管４１と第２吸気管４２とは、それぞれの上流側で上流側吸気管４３に接続する。上流側吸気管４３の第１吸気管４１および第２吸気管４２と接続する側とは反対側の端部は、外部と接続する。上流側吸気管４３には、スロットルバルブ４４が設けられている。
【００１８】
スロットルバルブ４４は、運転者によるアクセルペダル４４１の踏み込み量に応じてスロットル開度を変更し、上流側吸気管４３を流れる空気の流量を制御する。また、スロットルバルブ４４は、スロットル開度に応じた信号をＥＣＵ５０に出力する。
【００１９】
ＥＣＵ５０は、演算手段としてのＣＰＵ、記憶手段としてのＲＯＭ、ＲＡＭ、および、入出力手段等を有する小型のコンピュータである。「制御手段」としてのＥＣＵ５０には、図１に示すように、スロットルバルブ４４のスロットル開度に関する信号、圧力センサ２４が検出した気体燃料供給管２２内のメタンガスの圧力に関する信号、および、回転角センサ１９が検出したクランク角に関する信号が入力される。ＥＣＵ５０では、これらの信号に基づき、レギュレータ２３が制御するメタンガスの圧力、および燃料噴射弁３１がメタンガスを燃焼室１３０に供給するタイミングを算出する。
【００２０】
次に、気体燃料燃焼制御システム１における気体燃料燃焼制御方法について説明する。
【００２１】
ガスエンジン１１を始動したのち、運転者によるアクセルペダル４４１の踏み込み量に応じてスロットルバルブ４４のスロットル開度が変更される。スロットルバルブ４４は、変更されるスロットル開度に応じた信号をＥＣＵ５０に出力する。ＥＣＵ５０は、「供給量算出段階」としてスロットルバルブ４４から入力される信号に基づいてガスエンジン１１が所望の回転トルクを発生するために必要なメタンガスの供給量を算出する（図３のＳ１０１）。
また、ＥＣＵ５０は、算出されたメタンガスの供給量に基づいて燃焼室１３０のメタンガスと空気との混合気の平均の当量比が１．０以下となる希薄燃焼に適した混合気を形成する空気の量を算出する（図３のＳ１０１）。ＥＣＵ５０は、算出した空気の量に応じた信号をスロットルバルブ４４に出力する。スロットルバルブ４４では、ＥＣＵ５０が出力する信号に応じて第１吸気管４１および第２吸気管４２を流れる空気の量が算出された空気の量となるようにスロットル開度を調整する。
【００２２】
次に、ＥＣＵ５０は、「噴射圧算出段階」として回転角センサ１９が検出するクランク角および圧力センサ２４が検出する気体燃料供給管２２の圧力に基づいて燃料噴射弁３１が噴射するメタンガスの噴射圧を算出する（図３のＳ１０２）。ＥＣＵ５０は、算出されるメタンガスの噴射圧の大きさに応じた信号をレギュレータ２３に出力する（図３のＳ１０３）。レギュレータ２３は、入力される信号に基づいてメタンガスの圧力を制御する。レギュレータ２３により調整されたメタンガスの圧力は圧力センサ２４により検出され、検出された圧力に応じた信号がＥＣＵ５０に出力される。ＥＣＵ５０では、圧力センサ２４が出力するメタンガスの圧力がＳ１０２において算出した圧力と異なる場合、メタンガスの圧力をさらに調整するようにレギュレータ２３に信号を出力する。
【００２３】
次に、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁３１がメタンガスを噴射する噴射時間を算出する。１回の燃焼における燃料噴射弁３１の噴射量は、メタンガスの噴射圧と燃料噴射弁３１の噴射時間との積と等しい。そこで、ＥＣＵ５０では、「噴射時間算出段階」として、既に算出されているメタンガスの噴射量（図３のＳ１０１）および噴射圧（図３のＳ１０２）に基づいて、燃料噴射弁３１におけるメタンガスの噴射時間を算出する（図３のＳ１０４）。
【００２４】
次に、ＥＣＵ５０は、「噴射開始時刻算出段階」としてメタンガスの噴射開始時刻を算出する（図３のＳ１０５）。
図４に燃料噴射弁３１がメタンガスを噴射する時刻および時間と噴射率との関係を示す。ガスエンジン１１の負荷が小さいとき、燃料噴射弁３１は、実線Ｌ１に示すように、クランク角θ２に噴射を開始し、クランク角θ３で噴射を終了する。ここで、クランク角θ２は、ピストン１２が下死点より上死点に向かって移動を開始し吸気弁１８が閉弁するときのクランク角である。また、クランク角θ３は、点火プラグ１６によって燃焼室１３０のメタンガスと空気との混合気が燃焼を開始するときのクランク角θ４より大きいクランク角である。すなわち、燃料噴射弁３１は、ガスエンジン１１における圧縮工程初期にメタンガスを燃焼室１３に供給する。なお、第１実施形態による気体燃料燃焼制御システム１では、ピストン１２が上死点にあるときのクランク角を０°（ＢＴＤＣ０°）、下死点にあるときのクランク角を１８０°（ＢＴＤＣ１８０°）とする。
また、ガスエンジン１１の負荷が大きいとき、点線Ｌ２に示すように、燃料噴射弁３１は、ガスエンジン１１における圧縮行程が開始するとき、すわなち、ピストン１２が下死点にあるときのクランク角θ１、すなわち、ＢＴＤＣ１８０°のとき開弁する。これにより、実線Ｌ１に示したガスエンジン１１の負荷が小さいときの燃料噴射弁３１の噴射に比べ、多くのメタンガスを燃焼室１３０に供給する。
【００２５】
次に、ＥＣＵ５０は、回転角センサ１９が検出するクランク角に基づき算出された燃料噴射弁３１の噴射開始時刻にあわせて信号を出力する（図３のＳ１０６）。これにより、燃料噴射弁３１は燃焼室１３０にメタンガスの噴射を開始する。また、ＥＣＵ５０は、算出された燃料噴射弁３１の噴射時間にあわせて信号を出力する（図３のＳ１０６）。これにより、燃料噴射弁３１は燃焼室１３０へのメタンガスの噴射を停止する。
このようにして、気体燃料燃焼制御システム１では、ＥＣＵ５０が算出するメタンガスの噴射圧、噴射開始時刻、および噴射時間に基づいて燃焼室１３０にメタンガスが供給される。
【００２６】
第１実施形態による気体燃料燃焼制御システム１では、燃料噴射弁３１は、ガスエンジン１１における圧縮行程の初期時にメタンガスの噴射を開始する。燃焼室１３０では、第１吸気管４１および第２吸気管４２により供給される空気と燃料噴射弁３１により供給されるメタンガスとが、圧縮されつつ混合する。これにより、燃焼室１３０では、点火プラグ１６近傍にメタンガスを多く含む燃焼可能な混合気の層が形成され、かつ、シリンダブロック１３の内壁１３７近傍にメタンガスを含む割合が点火プラグ１６近傍の混合気に含まれるメタンガスの割合より小さい混合気の層が形成される。気体燃料燃焼制御システム１では、このようにして、「成層燃焼」が実現可能な状態を燃焼室１３０に形成する。これにより、点火プラグ１６近傍での燃焼を可能にしつつ内壁１３７近傍での燃焼を防止し、メタンガスを効率的に燃焼することができる。
【００２７】
また、気体燃料燃焼制御システム１では、図４に示すフローに従って決定されるメタンガスの噴射量、噴射圧、噴射時間、および噴射開始時刻に基づいて燃焼室１３０に直接メタンガスを供給するため、エンジンの種類または状態や使用される気体燃料を構成する炭化水素ガスの理論空燃比に応じて気体燃料の噴射量を設定することができる。これにより、ガスエンジン１１に供給される気体燃料を効率的に燃焼することができる。
【００２８】
また、気体燃料燃焼制御システム１では、ピストン１２が上死点に近づき燃焼室１３０の内圧が高くなる前にメタンガスを燃料噴射弁３１により燃焼室１３０内に噴射する。これにより、燃料噴射弁３１が開弁するときに必要な駆動力を小さくすることができる。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による気体燃料燃焼制御システムを図５、６に基づいて説明する。第２実施形態は、第２吸気管にメタンガスを供給する気体燃料供給弁、および、燃料タンクと燃料噴射弁とを接続する気体燃料供給管に空気を供給するコンプレッサを備える点が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。また、図５には、ガスエンジン１１における吸気および排気の流れを矢印Ｓで示す。
【００３０】
第２実施形態による気体燃料燃焼制御システム２は、気体燃料供給管２２に空気を供給するコンプレッサ２５および空気供給管２６と、気体燃料供給管２２を流れるメタンガスと空気との混合気を第２吸気管４２に供給する分岐管４５１および気体燃料供給弁４５と、を備える。
【００３１】
空気供給管２６は、一方の端部が気体燃料供給管２２に設けられている圧力センサ２４に接続している。空気供給管２６の他方の端部は外部に接続している。空気供給管２６には、「空気供給手段」としてのコンプレッサ２５が設けられている。
【００３２】
空気供給管２６の他方の端部から空気供給管２６に流入する空気は、コンプレッサ２５により約１Ｍｐａまで昇圧される。昇圧された空気は、圧力センサ２４内においてレギュレータ２３により圧力を調整されたメタンガスと混合される。圧力センサ２４において形成されるメタンガスと空気との混合気は、燃料噴射弁３１を介して燃焼室１３０に供給される。
【００３３】
気体燃料供給弁４５は、第２吸気管４２に設けられる。気体燃料供給弁４５は、圧力センサ２４の下流側に接続する分岐管４５１に接続する。また、気体燃料供給弁４５は、ＥＣＵ５０と電気的に接続している。
【００３４】
気体燃料供給管２２を流れるメタンガスと空気との混合気の一部は、分岐管４５１を通って気体燃料供給弁４５に供給される。気体燃料供給弁４５は、ＥＣＵ５０が出力する信号に基づいて第２吸気管４２にメタンガスと空気との混合気を供給する。気体燃料供給弁４５より下流側の第２吸気管４２を流れる上流側吸気管４３から流れる空気と気体燃料供給弁４５が供給するメタンガスと空気との混合気とは、燃焼室１３０に供給される。
【００３５】
図６には、燃料噴射弁３１または第２吸気管４２が燃焼室１３０に供給するメタンガスの供給量とガスエンジン１１の状態との関係を示す。図６（ａ）には、燃料噴射弁３１が燃焼室１３０に噴射するメタンガスと空気との混合気の当量比φとガスエンジン１１の回転数との関係を示す。また、図６（ｂ）には、第２吸気管４２が燃焼室１３０に供給するメタンガス供給量とガスエンジン１１の負荷との関係を示す。
【００３６】
図６（ａ）に示すように、ガスエンジン１１の回転数がアイドル状態を維持する程度の場合、燃料噴射弁３１が噴射するメタンガスと空気との混合気の当量比φは２．０程度である。また、ガスエンジン１１の回転数が高くなると当量比φは２．０より大きくなる。すなわち、燃料噴射弁３１が噴射するメタンガスと空気との混合気に含まれるメタンガスの割合は大きくなる。
【００３７】
図６（ｂ）に示すように、ガスエンジン１１の負荷が最小のとき、第２吸気管４２が供給するメタンガスの量は最小となる。ガスエンジン１１の負荷が大きくなると、燃料噴射弁３１が燃焼室１３０に供給するメタンガスの量が相対的に少なくなるため、第２吸気管４２が供給するメタンガスの量を多くする。このとき、第２吸気管４２が供給するメタンガスと空気との混合気に含まれるメタンガスの割合は、燃料噴射弁３１が噴射するメタンガスと空気との混合気に含まれるメタンガスの割合に比べて小さい。
【００３８】
第２実施形態による気体燃料燃焼制御システム２では、燃料噴射弁３１が当量比φ＝２．０以上の混合気を燃焼室１３０に供給しつつ、第２吸気管４２がメタンガスと空気との混合気を燃焼室１３０に供給する。これにより、燃焼室１３０の点火プラグ１６近傍の混合気は、当量比φが２〜３程度になるように制御される一方、シリンダブロック１３の内壁１３７近傍の混合気は、当量比φが最大で０．２程度となるように制御される。これにより、第２実施形態による気体燃料燃焼制御システム２では、第１実施形態と同じ効果を奏する。
【００３９】
また、気体燃料燃焼制御システム２では、メタンガスを圧力センサ２４および第２吸気管２４に供給するため、メタンガスと空気とが混合する時間が第１実施形態にくらべて長くなる。これにより、気体燃料制御システム２では、メタンガスと空気とを十分に混合することができ、第１実施形態による気体燃料燃焼制御システム１に比べてさらに効率よくメタンガスを燃焼することができる。
【００４０】
また、第２実施形態による気体燃料燃焼制御システム２の第２吸気管４２は、第１実施形態に比べて相対的に少なくなる燃料噴射弁３１が噴射するメタンガスの量を第２吸気管４２が補うように燃焼室１３０に供給する。これにより、燃焼室１３０のメタンガスと空気との混合気は、燃焼に十分なメタンガスを含むことができる。
【００４１】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による気体燃料燃焼制御システムを図７〜９に基づいて説明する。第３実施形態は、ピストンの形状が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。また、図７〜９には、燃料噴射弁３１が燃焼室１３０に噴射するメタンガスが拡散する領域を点線Ａで示している。また、点線Ａで囲まれた領域内でのメタンガスの主な流れを矢印Ｆで示している。
【００４２】
第３実施形態による気体燃料燃焼制御システムでは、ピストン１２の燃焼室１３０を形成する端面の略中央が凹状に形成されている。具体的には、図７に示すように、ピストン１２の燃焼室１３０を形成する端面１２０に環状の凹部１２１が設けられている。凹部１２１の側壁１２２はテーパ状に形成されている。
また、凹部１２１の中心には、凹部１２１の底面１２３から燃料噴射弁３１の方向に立ち上がるように凸部１２４が形成されている。凸部１２４の側壁１２５は、テーパ状に形成されている。
【００４３】
第３実施形態による気体燃料燃焼制御システムでは、ピストン１２が下死点から上死点に向かって移動を開始するとき、燃料噴射弁３１がメタンガスを燃焼室１３０に噴射する（図７参照）。燃料噴射弁３１は外開弁であるため、燃料噴射弁３１から噴射されるメタンガスは、図７に示すように、燃焼室１３０において傘状に広がる。傘状に広がったメタンガスは、下死点から上死点に向かうピストン１２の凹部１２１の側壁１２２、底面１２３、および、凸部１２４の側壁１２５によりピストン１２の径外方向から径内方向に向かって流れる（図８参照）。
ピストン１２がさらに上死点に向かって移動すると、メタンガスはさらにピストン１２の径外方向から径内方向に向かって流れ、燃焼室１３０の点火プラグ１６近傍には燃料噴射弁３１が噴射したメタンガスが集まる。（図９参照）
【００４４】
第３実施形態による気体燃料燃焼制御システムでは、外開弁である燃料噴射弁３１が噴射するメタンガスをピストン１２の端面１２０の形状により点火プラグ１６近傍に集める。これにより、点火プラグ１６近傍に可燃限界以上の混合気の層を形成することができる。したがって、第３実施形態による気体燃料燃焼システムは、第１実施形態と同じ効果を奏する。
【００４５】
また、第３実施形態による気体燃料燃焼制御システムでは、ピストン１２の凹部１２１および凸部１２４を使って点火プラグ１６近傍の領域にピストン１２が移動する方向の縦渦を形成する。これにより、メタンガスと空気との混合が促進され、点火プラグ１６近傍のメタンガスを更に効率的に燃焼することができる。
【００４６】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による気体燃料燃焼制御システムを図１０に基づいて説明する。第４実施形態は、第２吸気管に流量制御弁を備える点が第２実施形態と異なる。なお、第２実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。また、図１０には、ガスエンジン１１における吸気および排気の流れを矢印Ｓで示す。
【００４７】
第４実施形態による気体燃料燃焼制御システム４では、流量制御弁４６が第２吸気管４２に備えられる。流量制御弁４６は、第２吸気管４２において気体燃料供給弁４５の下流側、すなわち、第２吸気ポート１３２側に設けられる。また、流量制御弁４６は、ＥＣＵ５０と電気的に接続している。
【００４８】
流量制御弁４６は、ＥＣＵ５０が出力する信号に基づいて、第２吸気管４２を流れるメタンガスと空気との混合気の流量を制御する。これにより、第１吸気管４１を流れる空気の量と第２吸気管４２を流れる混合気の量とのバランスを変更する。
【００４９】
第４実施形態による気体燃料燃焼制御システム４では、燃焼室１３０にタンブル流を形成する第２吸気管４２の流量を流量制御弁４６により制御する。燃焼室１３０においてスワール流を形成する第１吸気管４１を流れる空気の量と燃焼室１３０においてタンブル流を形成する第２吸気管４２を流れる混合気の量とのバランスを変更する。これにより、燃焼室１３０の成層化の程度を調整することができる。したがって、第４実施形態による気体燃料燃焼制御システム４は、第１実施形態と同じ効果を奏することができる。
【００５０】
（他の実施形態）
（ア）上述の実施形態では、気体燃料は、メタンガスであるとした。しかしながら、気体燃料の種類はこれに限定されない。燃焼室に供給され燃焼可能な気体状物質であればよい。
【００５１】
（イ）上述の実施形態では、燃料噴射弁は、点火プラグによって燃焼室の混合気が着火燃焼を開始するときのクランク角より大きいクランク角で閉弁するとした。このとき、燃料噴射弁が閉弁するクランク角は、ＢＴＤＣ６０°より大きい方が望ましい。
【００５２】
（ウ）上述の実施形態では、燃料噴射弁が燃焼室にメタンガスの噴射を開始する時刻、および、噴射時間を図３に示すように説明した。しかしながら、燃料噴射弁がメタンガスを噴射するタイミングはこれに限定されない。
【００５３】
（エ）上述の実施形態では、燃料噴射弁は噴孔の外側にニードルが開く外開弁であるとした。しかしながら、燃料噴射弁の種類はこれに限定されない。噴孔の内側にニードルが開く内開弁であってもよい。
【００５４】
（オ）上述の実施形態では、燃料噴射弁はピストンが移動する方向に沿ってメタンガスを噴射する。しかしながら、燃料噴射弁が気体燃料を噴射する方向はこれに限定されない。
【００５５】
（カ）上述の実施形態では、第１吸気管は、空気を燃焼室に供給するとした。しかしながら、第１吸気管が燃焼室に供給する気体はこれに限定されない。排気管を流れる排気を第１吸気管に還流し、空気と排気との混合気を燃焼室に供給してもよい。
【００５６】
（キ）第１実施形態および第３実施形態では、第２吸気管は、空気を燃焼室に供給するとした。また、第２実施形態および第４実施形態では、第２吸気管は、メタンガスと空気との混合気を燃焼室に供給するとした。しかしながら、第２吸気管が燃焼室に供給する気体がこれに限定されない。排気管を流れる排気を第２吸気管に還流し、空気と排気との混合気またはメタンガスと空気と排気との混合気を燃焼室に供給してもよい。
【００５７】
（ク）第２実施形態では、空気供給管は圧力センサに接続するとした。しかしながら、空気供給管が接続する位置はこれに限定されない。燃料噴射弁から空気とメタンガスとの混合気を噴射可能なように気体燃料供給管に接続してもよい。
【００５８】
以上、本発明はこのような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の種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１、２、４              ・・・気体燃料燃焼制御システム、
１１                    ・・・エンジン（内燃機関）、
１９                    ・・・回転角センサ（クランク角検出手段）、
２１                    ・・・燃料タンク、
２３                    ・・・レギュレータ（圧力調整手段）、
２４                    ・・・圧力センサ（圧力検出手段）、
３１                    ・・・燃料噴射弁、
４１                    ・・・第１吸気管、
４２                    ・・・第２吸気管、
５０                    ・・・ＥＣＵ（制御手段）、
１３０                  ・・・燃焼室、
１３１                  ・・・第１吸気ポート（一方の吸気ポート）、
１３２                  ・・・第２吸気ポート（他方の吸気ポート）。
【図１】
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【図２】
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【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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