(57)【要約】【課題】  この発明は、内燃機関の制御装置に関し、ガソリンを主燃料とする内燃機関において、ノッキングを確実に抑制することを目的とする。【解決手段】  ガソリンを筒内に直接噴射するガソリン噴射弁３０を設ける。水素ガスを吸気通路１８内に噴射する水素噴射弁３８を設ける。水素噴射弁３８によって筒内に供給された水素ガスと空気の混合気に点火する点火プラグ２８を設ける。点火プラグ２８による水素の着火とほぼ同時もしくは当該着火より遅れたタイミングで、ガソリン噴射弁３０によってガソリンを筒内に供給する。【選択図】      図１
2006052686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガソリンを筒内に直接噴射するガソリン噴射弁を備える内燃機関の制御装置であって、
ガソリン自着火が可能な高温高圧場を筒内に形成する高温高圧場形成手段と、
前記高温高圧場形成手段により筒内が前記高温高圧場とされた期間中の所定タイミングに、ガソリンを筒内に供給するガソリン供給手段とを備え、
前記高温高圧場形成手段は、可燃ガスを筒内に供給する可燃ガス供給手段と、筒内に供給された前記可燃ガスに点火する点火プラグとを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記可燃ガスは、水素ガスであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記所定タイミングは、前記点火プラグによる水素ガスの着火とほぼ同時もしくは当該着火から遅れたタイミングであることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記可燃ガス供給手段は、水素ガス混合気が筒内に均一に形成されるように水素ガスを供給することを特徴とする請求項２または３記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記可燃ガス供給手段は、前記点火プラグ近傍に高濃度の水素混合気層が形成されるように水素ガスを供給することを特徴とする請求項２または３記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
圧縮空気を筒内に供給する過給機を備えることを特徴とする請求項２乃至５の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
内燃機関の運転状態に応じて燃焼方式を選択する燃焼方式選択手段を備え、
前記燃焼方式選択手段は、ノッキングが懸念される領域では、前記ガソリン供給手段を用いて燃焼を実現する第１の燃焼方式を選択し、それ以外の領域では、ガソリンのみを燃料として、ガソリンと空気の混合気に前記点火プラグにより直接点火させることで燃焼を実現する第２の燃焼方式を選択可能とすることを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、ガソリンを主燃料とし、水素ガスを燃焼に利用する火花点火式内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００４−１１６３９８号公報には、ガソリンと水素を燃料として使用する火花点火式内燃機関が開示されている。この内燃機関では、水素を副燃料として吸気通路に噴射し、ガソリンを主燃料として筒内に噴射することとしている。この内燃機関では、筒内に供給された燃料（ガソリンおよび水素）と空気との混合気を点火プラグにより点火し、筒内に存在する未燃混合気に火炎が伝播していくことで燃焼が行われる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１６３９８号公報
【特許文献２】特開平６−２３５３２９号公報
【特許文献３】特開平７−６３１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、上記従来の火花点火式内燃機関では、ガソリンを主たる燃料として火炎伝播による燃焼が実現されている。上記従来の機関によれば、水素が添加されていることにより火炎伝播速度が向上し、これにより、ノッキングを発生しにくくすることは可能である。しかしながら、上記従来の機関のように、火炎伝播によりガソリンと空気の混合気を燃焼させる手法では、筒内を伝播する火炎面の前方に未燃混合気が存在するため、ノッキングの発生を完全に抑制することはできない。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガソリンを主燃料とする内燃機関において、ノッキングを確実に抑制し得る制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガソリンを筒内に直接噴射するガソリン噴射弁を備える内燃機関の制御装置であって、
ガソリン自着火が可能な高温高圧場を筒内に形成する高温高圧場形成手段と、
前記高温高圧場形成手段により筒内が前記高温高圧場とされた期間中の所定タイミングに、ガソリンを筒内に供給するガソリン供給手段とを備え、
前記高温高圧場形成手段は、可燃ガスを筒内に供給する可燃ガス供給手段と、筒内に供給された前記可燃ガスに点火する点火プラグとを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記可燃ガスは、水素ガスであることを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第２の発明において、前記所定タイミングは、前記点火プラグによる水素ガスの着火とほぼ同時もしくは当該着火から遅れたタイミングであることを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、前記可燃ガス供給手段は、水素ガス混合気が筒内に均一に形成されるように水素ガスを供給することを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第２または第３の発明において、前記可燃ガス供給手段は、前記点火プラグ近傍に高濃度の水素混合気層が形成されるように水素ガスを供給することを特徴とする。
【００１１】
また、第６の発明は、第２乃至第５の発明の何れかにおいて、圧縮空気を筒内に供給する過給機を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第７の発明は、第２乃至第６の発明の何れかにおいて、内燃機関の運転状態に応じて燃焼方式を選択する燃焼方式選択手段を備え、
前記燃焼方式選択手段は、ノッキングが懸念される領域では、前記ガソリン供給手段を用いて燃焼を実現する第１の燃焼方式を選択し、それ以外の領域では、ガソリンのみを燃料として、ガソリンと空気の混合気に前記点火プラグにより直接点火させることで燃焼を実現する第２の燃焼方式を選択可能とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、筒内に供給された可燃ガスを点火プラグにより点火させることにより、ガソリン自着火が可能な高温高圧場が筒内に形成される。そして、ガソリン自着火が可能な高温高圧場とされた筒内にガソリンを供給することにより、ガソリンを燃料とした拡散燃焼が実現される。このような燃焼手法によれば、ガソリン混合気に点火することにより燃焼が行われる通常のガソリン内燃機関と異なり、火炎伝播に依らない燃焼が可能となるため、燃焼室内を伝播する火炎面により未燃混合気が圧縮されることが起こり得ない。このため、本発明によれば、ガソリンを主燃料とする内燃機関において、ノッキングを確実に抑制することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、可燃ガスとして、着火性が良く、かつ、十分に速い火炎伝播速度を有する水素ガスを用いたことで、高い空気過剰率のもとで急速燃焼が可能となり、酸素残存量が多く良好な高温高圧場を瞬時に形成することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、筒内が高温高圧場となる期間中にガソリンを筒内に供給することができる。
【００１６】
第４の発明によれば、水素ガスが筒内に均一に供給されることで、筒内全体に良好な高温高圧場が形成される。このため、本発明によれば、安定したガソリン燃焼を実現することができる。
【００１７】
第５の発明によれば、水素ガスを成層燃焼させることにより、十分に高い空気過剰率のもとで燃焼が可能となる。このため、本発明によれば、ガソリン燃焼時に筒内に残存する酸素を有効に活用することができ、また、同時に、水素使用量を節約することができる。
【００１８】
第６の発明によれば、ノッキングの発生を気にすることなく過給を行うことができ、通常のガソリン機関と比較して、所望の高トルクを容易に得ることができる。
【００１９】
第７の発明によれば、ノッキングが懸念される領域以外の少なくとも一部の領域（例えば、常用域など）において、水素ガスを利用しないことにより、水素使用総量を節約することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の火花点火式内燃機関１０の構成を説明するための図である。内燃機関１０の筒内には、その内部を往復移動するピストン１２が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１４との間には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気通路１８および排気通路２０が連通している。吸気通路１８および排気通路２０には、それぞれ吸気弁２２および排気弁２４が配置されている。また、吸気通路１８には、スロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６は、アクセル開度と独立してスロットル開度を制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。
【００２１】
シリンダヘッド１４には、燃焼室１６の頂部から燃焼室１６内に突出するように点火プラグ２８が取り付けられている。また、シリンダヘッド１４には、ガソリンを筒内に噴射するガソリン噴射弁３０が設けられている。ガソリン噴射弁３０には、ガソリン供給管３２を介してガソリンタンク３４が連通している。ガソリン供給管３２は、ガソリン噴射弁３０とガソリンタンク３４との間に、ポンプ３６を備えている。ポンプ３６は、ガソリン噴射弁３０に所定の圧力でガソリンを供給することができる。このため、ガソリン噴射弁３０は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを筒内に噴射することができる。
【００２２】
吸気通路１８には、ポート内に水素ガスを噴射する水素噴射弁３８が設けられている。本実施形態のシステムは、気体状態にある水素を高圧で貯留するための水素タンク４０を備えている。水素タンク４０には、水素供給管４２が連通している。水素供給管４２は、水素噴射弁３８に連通している。水素供給管４２には、水素タンク４０と水素噴射弁３８との間に、レギュレータ４４が設置されている。このような構成によれば、水素噴射弁３８には、レギュレータ４４により減圧された所定の圧力で、水素が供給される。このため、水素噴射弁３８は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素を吸気通路１８内に噴射することができる。
【００２３】
また、水素供給管４２には、レギュレータ４４と水素噴射弁３８との間に、水素燃圧センサ４６が組み込まれている。水素燃圧センサ４６は、水素噴射弁３８に供給される水素ガスの圧力に応じた出力を発するセンサである。水素供給管４２には、更に、水素燃圧センサ４６と水素噴射弁３８との間に、水素温度センサ４８が組み込まれている。水素温度センサ４８は、水素噴射弁３８に供給される水素ガスの温度に応じた出力を発するセンサである。液体であるガソリンに比較して気体である水素の密度は、圧力や温度によって大きく変化する。従って、水素供給量を水素噴射期間τHによって制御する場合には、水素の燃圧や温度の測定が必要となる。本実施形態の構成によれば、水素噴射期間τHを、水素の圧力および温度に応じて補正することにより、水素供給量を所望の値に精度良く制御することが可能となる。
【００２４】
本実施形態のシステムは、ECU５０を備えている。ECU５０には、上述した水素燃圧センサ４６、および水素温度センサ４８に加え、内燃機関１０の運転状態を把握すべく、アクセルポジションセンサ５２、機関回転数など（図示省略する）を検出するための各種センサが接続されている。また、ECU５０には、上述した点火プラグ２８、ガソリン噴射弁３０、ポンプ３６、水素噴射弁３８などの機器が接続されている。ECU５０は、それらのセンサ出力を基礎として所定の処理を行うことにより、上述した各種の機器を適当に駆動することができる。
【００２５】
次に、図２および図３を参照して、本実施形態で用いられる燃焼手法について説明する。
図２は、本実施形態のシステムにおいて用いられる水素ガスの噴射時期および点火時期、並びにガソリンの噴射時期の設定の一例を示すタイミングチャートである。尚、図２において、横軸はクランク角度に対応しており、図２中に示す波形は、所定の運転状態における内燃機関１０の筒内圧力の波形を示している。
【００２６】
図２に示すように、水素ガスの噴射時期は、吸気行程が終了するまでに噴射が完了するように、吸気行程中、もしくはその前の排気行程中に設定されている。本実施形態のシステムでは、吸気行程中に筒内に供給された水素ガスと空気の混合気を、点火プラグ２８により点火させることとしており、そのための点火時期を、圧縮上死点前の所定のクランク角度の到来時点に設定している。水素ガスの火炎伝播速度は極めて速いため、水素ガスの燃焼は、図２中に「水素混合気着火期間」を付して示すような短期間に完了する。また、ガソリン噴射時期は、水素ガスの燃焼により筒内に高温高圧場が形成された期間中の所定タイミングとなるように、より具体的には、水素混合気着火期間の終了とほぼ同時期に設定されている。また、これらの水素点火時期およびガソリン噴射時期は、筒内圧力が圧縮上死点付近で最大となるような適切なタイミングに設定されている。
【００２７】
次に、図３を参照して、上述した図２に示すタイミングチャートの設定に基づいて実現される一連の動作を詳述する。
先ず、図３（Ａ）に示すように、吸気行程中に、水素ガスが水素噴射弁３８により吸気通路１８内に噴射される。水素は着火性が良いため、ガソリンに比して高い空気過剰率λ（λ＞３程度）でのリーンバーン燃焼が可能である。このため、本実施形態では、水素噴射弁３８により、失火しない範囲で、上記のような高い空気過剰率が実現されるように水素ガスが供給されている。このように、水素は、かなりリーン状態であっても燃焼が可能となるため、水素燃焼後にガソリン燃焼を行うだけの空気を確保することができ、これにより、その後のガソリン燃焼が可能となっている。
【００２８】
次いで、圧縮行程が開始されると、図３（Ｂ）に示すように、所定の空気過剰率で筒内に均一に吸入された水素ガスと吸入空気の混合気が圧縮される。次いで、図３（Ｃ）に示すように、圧縮行程中の所定の点火時期で、点火プラグ２８により水素混合気に点火される。その結果、水素ガスが燃焼することにより、筒内圧力および筒内温度が急激に上昇し、筒内には、ガソリン自着火が可能な高温高圧場が形成される。次いで、図３（Ｄ）に示すように、そのような高温高圧状況下にある筒内にガソリンが直接噴射されると、ガソリンは自着火温度以上に熱せられる。この際、図３（Ｅ）に示すように、筒内に噴射されたガソリンが気化し拡散することにより、ガソリンと筒内空気との間で可燃混合気層が形成され、自着火する条件の整った１箇所または数箇所から爆発的に燃焼が進行する。そして、筒内にガソリンが噴射されている間は、ガソリンが噴霧の周囲の酸素を導入して次々と燃焼を進行させる。つまり、本実施形態の燃焼手法によれば、水素ガスの燃焼により高温高圧場が形成された筒内にガソリンを直接噴射することにより、ガソリンを燃料とした拡散燃焼が実現される。
【００２９】
ガソリンを燃料とする通常の火花点火式内燃機関における燃焼は、予め混合状態とされたガソリンと空気の混合気や、或いは点火プラグ近傍が高濃度となるように成層化された混合気を、点火プラグの火花により点火させ、筒内に存在する未燃混合気に火炎が伝播していくことで行われる。このような燃焼方式を有する通常の火花点火式内燃機関においては、低回転高負荷領域などでは、燃焼室１６内を伝播する火炎面の前方に存在する燃焼室１６末端の未燃混合気が圧縮され、高温になって自着火する現象、すなわち、ノッキングが生じ得る。従って、ノッキングの発生が懸念される領域では、点火時期を適切な時期にまで進められないため、高効率な運転が困難となる。
【００３０】
これに対し、本実施形態のシステムで用いられる上記の燃焼手法によれば、軽油に比してオクタン価が高い、すなわち、自着火が起こりにくい（換言すると、拡散燃焼させるのが困難である）ガソリンを燃料として、拡散燃焼が実現可能となる。つまり、火炎伝播自体を起こさない燃焼が可能となるため、燃焼室１６内の未燃混合気が圧縮されることが起こり得ない。従って、本実施形態のシステムによれば、ガソリンを主たる燃料とする火花点火式内燃機関１０において、ノッキングを起こさない運転を実現することができる。
【００３１】
図４は、本実施の形態１において、上記の機能を実現するためにECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、内燃機関１０の各気筒において、一定のクランク角毎に周期的に実行されるものとする。また、本実施形態のシステムでは、スロットルバルブ２６を全開状態に設定しており、本ルーチンの処理に従って、ガソリン噴射量に基づいて内燃機関１０の出力を制御することとしている。
【００３２】
図４に示すルーチンでは、先ず、機関回転数およびアクセル開度が入手され（ステップ１００）、機関回転数とアクセル開度に基づいて、負荷率が算出される（ステップ１０２）。次いで、水素噴射弁３８に供給される水素ガスの燃圧および温度が入手される（ステップ１０４）。
【００３３】
次に、所定の水素ガス噴射時期が到来すると、水素噴射弁３８により吸気通路１８内に水素ガスが噴射される（ステップ１０６）。水素ガス噴射時期は、上記の如く、前回のサイクルの排気行程開始から今回のサイクルの吸気行程終了までの期間中に、噴射が完了するように設定されている。水素噴射期間τHは、失火しない範囲で、λ＞３となる一定の空気過剰率が実現されるように、ベース値τHbに水素ガスの燃圧および温度に基づく補正係数Ａを乗じた値に設定されている。
【００３４】
次に、所定の水素ガス点火時期が到来すると、点火プラグ２８により水素混合気への点火が実行される（ステップ１０８）。次いで、水素混合気着火期間の終了とほぼ同時期に、ガソリン噴射が実行される（ステップ１１０）。ECU５０は、ガソリン噴射量（噴射期間）およびガソリン噴射時期を、それぞれ負荷率との関係で適合によって定めたマップをそれぞれ記憶している。本ステップ１１０では、これらのマップを参照して、ガソリン噴射が実行される。尚、本実施形態のシステムでは、ガソリン噴射弁３０の噴射圧力は、水素ガスのリーンバーン燃焼により上昇する筒内圧力より高くなるように設定されている。
【００３５】
以上説明したルーチンの処理によれば、水素ガスの燃焼によってガソリン自着火が可能な高温高圧場を形成し、ガソリンを燃料とした拡散燃焼を実現することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、ガソリンを主燃料とする火花点火式内燃機関１０において、ノッキングを確実に抑制し得る運転を実現することができる。また、本実施形態のシステムによれば、スロットルバルブ２６を全開状態とし、ガソリン噴射量に基づく出力制御を行うことにより、低負荷領域でも拡散燃焼による運転を行うことが可能となる。これにより、スロットルバルブ２６でのポンプ損失を無くすことができ、高い熱効率を実現することができる。
【００３６】
ところで、上述した実施の形態１においては、図２に示すタイミングチャートに示すように、水素混合気着火期間の終了とほぼ同時期にガソリンを噴射することとしているが、本発明におけるガソリン噴射時期は、ガソリン自着火が可能な高温高圧場が維持されている期間中であれば、このような噴射時期に限定されるものではない。すなわち、例えば、ガソリン噴射時期は、点火プラグ２８による水素着火とほぼ同時であってもよく、また、水素混合気着火期間が経過した後の所定のタイミングであってもよい。
【００３７】
更に、本実施形態のシステムによれば、水素混合気着火期間とガソリン噴射時期との間隔を調整することにより、ガソリンによる拡散燃焼時の熱発生率を制御することができる。より具体的には、水素混合気着火期間とガソリン噴射時期との間隔が広くなると、筒内圧力および筒内温度が低下した状態でガソリンが噴射されることとなり、熱発生を緩やかにすることができ、燃焼時に機関に加わる負荷を低減することができる。また、水素混合気への点火時期が変更されると、ガソリン噴射実行時の筒内圧力および筒内温度の状態が変化する。つまり、本実施形態のシステムによれば、水素混合気への点火時期を変更することによっても、拡散燃焼時の熱発生率の制御が可能となる。
【００３８】
また、上述した実施の形態１においては、可燃ガスである水素ガスに点火プラグ２８により点火することで、筒内に高温高圧場を形成することとしたが、本発明の高温高圧場形成手段は、ガソリン噴射時にガソリン自着火が可能な高温高圧場を形成できるものであれば、点火プラグ２８を用いる手法に限定されるものではない。すなわち、例えば、筒内に直接高温高圧ガスを供給するようなものであってもよい。或いは、副室を設け、副室内で水素ガスなどの可燃ガスを点火プラグ等を利用して燃焼させることにより、筒内に高温高圧場を形成するものであってもよい。
また、本発明の可燃ガスは、着火性が良く、火炎伝播速度が十分に速いガスであれば、水素ガス以外のガスであってもよい。
【００３９】
尚、上述した実施の形態１においては、ECU５０が、上記ステップ１０６、１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「高温高圧場形成手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ガソリン供給手段」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ECU５０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「可燃ガス供給手段」が実現されている。
【００４０】
実施の形態２．
次に、図５乃至図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図５は、本発明の実施の形態２の火花点火式内燃機関６０の構成を説明するための図である。図５に示すように、本実施形態の内燃機関６０は、水素ガスを吸気通路１８内に噴射する水素噴射弁３８に代えて、水素ガスを筒内に直接噴射する水素噴射弁６２を備えている点を除き、上述した実施の形態１と同様の構成を有している。以下、図５において、図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の参照符号を用いて、その詳細な説明を省略または簡略する。
【００４１】
上述した実施の形態１では、吸気通路１８内に噴射された水素ガスは、空気とともに均一な混合気として筒内に取り込まれ、その後燃焼されることとなる。水素は着火性が良いため、高い空気過剰率λでの燃焼が可能である。しかしながら、実施の形態１の構成では、水素混合気が筒内に均一に取り込まれていることで、空気過剰率λを高くするにも限界がある。本発明における水素燃焼は、ガソリンによる拡散燃焼を実現するための高温高圧場を筒内に形成するために行われるものである。従って、ガソリン燃焼時に使用する酸素量を十分に確保するために、水素燃焼時に消費される酸素量を低減させたいという要求がある。そこで、本実施形態のシステムでは、実施の形態１に比して更に高い空気過剰率λで水素ガスを燃焼させるべく、水素ガスを成層燃焼させることとした。
【００４２】
そのための具体的な構成として、図５に示す水素噴射弁６２は、直接点火プラグ２８に向けて水素ガスを噴射できるように構成されている。尚、水素成層燃焼を実現するための構成は、これに限らず、ピストン１２の頂面にくぼみを設け、そのくぼみにより水素ガスの噴流を点火プラグ２８に向かわせるように構成されたものであってもよい。
【００４３】
図６は、本実施形態のシステムにおいて用いられる水素ガスの噴射期間および点火時期、並びにガソリンの噴射時期の設定の一例を示すタイミングチャートである。図６に示すように、水素ガスの噴射時期は、点火プラグ２８近傍に高濃度の水素混合気層が形成させるべく、点火時期の直前に設定されている。ガソリン噴射時期は、実施の形態１と同様である。
【００４４】
次に、図７を参照して、上述した図６に示すタイミングチャートの設定に基づいて実現される一連の動作を詳述する。
先ず、図７（Ａ）に示すように、吸気行程中に、空気が筒内に取り込まれ、次いで、図７（Ｂ）に示すように、圧縮行程において、水素噴射弁６２により、水素ガスが点火プラグ２８に向けて噴射される。次いで、図７（Ｃ）に示すように、圧縮行程中の所定の点火時期で、点火プラグ２８近傍の水素混合気に点火される。水素は着火性が良いため、成層燃焼であれば、均一燃焼時に比して更に高い空気過剰率λ（λ＞６程度）での超リーンバーン燃焼が可能である。次いで、図７（Ｄ）に示すように、水素ガスの燃焼によって高温高圧場とされた筒内に広く拡散されるように、ガソリンが噴射される。その結果、実施の形態１の場合と同様に、ガソリンを燃料とした拡散燃焼が実現される。
【００４５】
図８は、本実施の形態２において、上記の機能を実現するためにECU６４が実行するルーチンのフローチャートである。本実施形態のシステムにおいても、スロットルバルブ２６を全開状態に設定しており、本ルーチンの処理によりガソリン噴射量に基づいて内燃機関６０の出力を制御するものとする。尚、図８において、実施の形態１における図４に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００４６】
図８に示すルーチンでは、所定の水素ガス噴射時期が到来すると、水素噴射弁６２により筒内に水素ガスが噴射される（ステップ１１２）。水素ガス噴射時期は、上記の如く、点火時期の直前となるように設定されている。水素噴射期間τH’は、失火しない範囲で、燃焼室１６内全体でλ＞６となる一定の空気過剰率が実現されるように、ベース値τHb’に水素ガスの燃圧および温度に基づく補正係数Ｂを乗じた値に設定されている。
【００４７】
次に、所定の水素ガス点火時期が到来すると、点火プラグ２８により水素混合気への点火が実行され（ステップ１０８）、水素ガスが着火した時点以降のタイミングで、ガソリン噴射が実行される（ステップ１１０）。
【００４８】
以上説明したルーチンの処理によれば、水素成層燃焼を行うことにより、水素燃焼時の酸素消費量を低減することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、実施の形態１のシステムに比して、ガソリン燃焼時に筒内に残存する酸素を有効に活用することができる。つまり、同一量の空気が筒内に吸入された場合に発生させ得るトルクを、実施の形態１のシステムに比して向上させることができる。また、実施の形態１のシステムに比して水素使用量も節約することができる。
【００４９】
ところで、上述した実施の形態２においては、水素を筒内に直接噴射する水素噴射弁６２を用いて水素成層燃焼が実現されているが、本発明の水素ガス供給手段はこれに限定されるものではない。例えば、水素ガス供給手段は、水素ガスを吸気通路１８に噴射する水素噴射弁３８と、スワール制御弁とを用いて、点火プラグ２８周辺に高濃度の水素混合気層を形成するものであってもよい。
【００５０】
実施の形態３．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
図９は、本発明の実施の形態３の火花点火式内燃機関７０の構成を説明するための図である。図９に示すように、本実施形態の内燃機関７０は、吸気通路１８のスロットルバルブ２６の上流側に過給機７２を備え、筒内に圧縮空気を供給可能としている点を除き、上述した実施の形態１と同様の構成を有している。本実施形態のシステムにおいても、スロットルバルブ２６を全開状態に設定しており、図４に示すルーチンに類似するルーチンの処理に従ってガソリン噴射量に基づいて内燃機関７０の出力を制御するものとする。すなわち、本実施形態においても、ガソリンを燃料とした拡散燃焼が実行されている。
【００５１】
以下、図９において、図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の参照符号を用いて、その詳細な説明を省略または簡略する。尚、ここでは、水素ガスを吸気通路１８内に供給することとしているが、これに限らず、上述した実施の形態２のように、水素ガスを筒内に直接噴射して水素成層燃焼を実現するものであってもよい。また、過給機７２としては、図９に示すスーパーチャージャーに限らず、ターボチャージャー等であってもよい。
【００５２】
次に、本実施形態のシステムが過給機７２を備えることによる効果を説明する。
ガソリン混合気に点火して燃焼を行う通常の火花点火式内燃機関の場合には、過給域を含む高負荷領域では、ノッキングの発生を抑制する必要があるため、理想のトルクが得られる点火時期に進角させることができず、トルクが低下してしまう。これに対し、本実施形態のガソリン拡散燃焼によれば、水素燃焼により消費される酸素量分だけトルク減少要因があるが、ノッキングを生じさせずに燃焼が可能となるため、点火時期遅れに起因する上記トルク低下がなく、所望の高トルクを発生させ易い。これに加え、本実施形態のシステムによれば、過給を行うことにより、水素燃焼により消費される酸素量分の酸素を筒内に予め多く供給して補うことができるため、水素燃焼に起因するトルク低下なしに本来のトルクのピーク値を発生させることができる。
【００５３】
また、通常の火花点火式内燃機関の場合には、過給圧を上げるほどノッキングが生じ易くなるので、過給圧を高めていくことが困難であり、また、過給圧を更に高めたとしても、それに伴い点火時期を更に遅らせることが強いられるため、過給圧を高めることによって所望の高トルクを得ることは困難である。これに対し、本実施形態のシステムによれば、ノッキングを考慮することなく、過給圧を高めることが可能となり、所望の高トルクを容易に得ることができる。そして、この効果は、過給圧が高い場合ほど顕著に得られるものである。
【００５４】
また、本実施形態のシステムによれば、過給により筒内に十分な酸素量が供給され、更に、空気とガソリンとが混ざり易くなるため、噴射されたガソリンの過濃部分が少なくなり、スモークや未燃THCの発生が効果的に抑制される。
【００５５】
実施の形態４．
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
本実施形態のシステムは、上述した実施の形態１の装置構成を用いて、ECU５２に図１０に示すルーチンを実行させることにより実現されるものである。
【００５６】
上述した実施の形態１では、内燃機関１０の運転状態に関わらず、水素ガスを利用してガソリン拡散燃焼を行う（以下、「ガソリン拡散燃焼方式」と称する）こととしている。これに対して、本実施形態のシステムは、常に、ガソリン拡散燃焼方式を用いるのではなく、ノッキングが懸念される領域でのみガソリン拡散燃焼方式を用いることとし、それ以外の領域では、水素添加を行わずにガソリン混合気に直接点火して燃焼を行う（以下、「通常燃焼方式」と称する）こととしている点に特徴を有している。
【００５７】
図１０は、本実施の形態４において、上記の機能を実現するためにECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図１０において、実施の形態１における図４に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。図１０に示すルーチンでは、負荷率が算出された後（ステップ１０２）、ノック危険領域か否かが判定される（ステップ１１４）。ECU５０は、ガソリン拡散燃焼方式を用いる領域と通常燃焼方式を用いる領域とを有するマップを記憶している。このマップは、ノッキングが懸念される低回転高負荷領域ではガソリン拡散燃焼方式が適用され、低負荷領域などのそれ以外の領域では通常燃焼方式が適用されるように設定されている。本ステップ１１４では、このマップを参照し、現時点の運転状態では何れの燃焼方式となるのかを判別している。
【００５８】
上記ステップ１１４において、ノッキング危険領域でない、すなわち、通常燃焼方式を用いる領域であると判別された場合には、ガソリン噴射弁３０によって、ガソリンが所定の噴射タイミングで筒内に直接噴射される（ステップ１１６）。ECU５０は、ガソリン噴射量（噴射期間）およびガソリン噴射時期を、それぞれ負荷率との関係で適合によって定めたマップをそれぞれ記憶している。本ステップ１１６では、これらのマップを参照して、ガソリンストイキ運転が実現されるように、ガソリン噴射が実行される。また、既述した通り、ここでは、水素添加は行われないものとされている。次いで、所定の点火時期が到来すると、ガソリン混合気に点火プラグ２８により点火される（ステップ１１８）。その結果、火炎伝播による燃焼が行われる。
【００５９】
一方、上記ステップ１１４において、ノッキング危険領域である、すなわち、ガソリン拡散燃焼方式を用いる領域であると判別された場合には、上述したステップ１０４、１０６、１０８、および１１０と同様の処理が実行される。その結果、ガソリン拡散燃焼が行われる。
【００６０】
以上説明したルーチンの処理によれば、ノッキングが懸念される領域でのみ水素を利用することとし、常用域である低負荷領域などでは水素を利用しない通常燃焼方式としているため、実施の形態１のシステムに比して、水素使用総量を節約することができる。
【００６１】
ところで、上述した実施の形態４においては、ノッキングが懸念される領域以外の領域では、ガソリンのみを燃料として燃焼を実行することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ノッキングが懸念される領域以外の全領域を必ずしもすべてガソリンのみを燃料とする燃焼を行う必要はなく、ノッキング懸念領域以外の領域の少なくとも一部の領域でガソリンのみを燃料として燃焼を行うものであってもよい。
【００６２】
また、上述した実施の形態４においては、実施の形態１の装置構成を用いて、ECU５２に図１０に示すルーチンを実行させることとしているが、これに限られるものではなく、実施の形態２の装置構成を用いて、ECU６４に図１０に示すルーチンを実行させることとしてもよい。
【００６３】
尚、上述した実施の形態４においては、ECU５０が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第７の発明における「燃焼方式選択手段」が実現されている。また、ガソリン拡散燃焼方式が、前記第７の発明のおける「第１の燃焼方式」に、通常燃焼方式が、前記第７の発明における「第２の燃焼方式」に、それぞれ相当している。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態１の火花点火式内燃機関の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１において用いられる水素ガスの噴射時期および点火時期、並びにガソリンの噴射時期の設定の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】図２に示すタイミングチャートの設定に基づく内燃機関の動作を概念的に示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２の火花点火式内燃機関の構成を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態２において用いられる水素ガスの噴射時期および点火時期、並びにガソリンの噴射時期の設定の一例を示すタイミングチャートである。
【図７】図６に示すタイミングチャートの設定に基づく内燃機関の動作を概念的に示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態３の火花点火式内燃機関の構成を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１０、６０、７０  内燃機関
１６  燃焼室
１８  吸気通路
２０  排気通路
２６  スロットルバルブ
２８  点火プラグ
３０  ガソリン噴射弁
３８、６２  水素噴射弁
５０、６４  ECU(Electronic Control Unit)
７２  過給機
【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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