(57)【要約】【課題】  水素等の気体燃料を燃焼させるエンジンにおいて、常にＮＯｘの排出を抑える。【解決手段】  要求トルクが少ない場合は、局所空気過剰率λが２以上で殆どＮＯｘが生成されない第１燃焼期間のみで燃焼を行う。要求トルクが大きい場合は、先ずＮＯｘが殆ど生成されない第１燃焼期間で燃焼を実施し、この第１燃焼期間中に要求トルクの不足分を補うことができる局所空気過剰率λが１．１以下でＮＯｘの生成を抑えることのできる第２燃焼期間に切り替える。このように、燃焼される混合気の空気過剰率λが最適化され、常にＮＯｘの排出を抑えることができる。【選択図】  図４
2006183653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料に気体燃料を用いる気体燃料エンジンであって、
理論空燃比の時の空気過剰率λを１とした場合、１サイクルの燃焼期間中に、
局所空気過剰率λが２以上の第１混合気による第１燃焼期間に続いて局所空気過剰率λが１．１以下の第２混合気による第２燃焼期間への切り替えを行うことを特徴とする気体燃料エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の気体燃料エンジンにおいて、
この気体燃料エンジンは、燃焼室内に直接的または間接的に燃料の供給を行うインジェクタを備え、
前記第１燃焼期間は、前記インジェクタによって燃料を噴射した後、噴射された燃料が燃焼用の空気と混合して、局所空気過剰率λが２以上となるタイミングで着火手段によって着火を行うことで燃焼が開始されることを特徴とする気体燃料エンジン。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の気体燃料エンジンにおいて、
この気体燃料エンジンは、前記第１燃焼期間の火炎中に直接燃料の噴射を行うインジェクタを備え、
前記第２燃焼期間は、前記インジェクタによって前記第１燃焼期間で発生した火炎中に直接燃料を噴射供給することで、燃焼が開始されることを特徴とする気体燃料エンジン。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の気体燃料エンジンにおいて、
前記第１燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すために燃料の噴射を行う第１噴射と、
前記第２燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すために燃料の噴射を行う第２噴射との間における噴射停止のクランク角インターバルは、
エンジン回転数が速くなるに従って短くなり、エンジン回転数が遅くなるに従って長くなることを特徴とする気体燃料エンジン。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の気体燃料エンジンにおいて、
前記第２燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すために燃料の噴射を行う第２噴射の噴射開始時期は、
エンジン負荷が大きくなるに従って進角側に早まり、エンジン負荷が小さくなるに従って遅角側に遅れることを特徴とする気体燃料エンジン。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の気体燃料エンジンにおいて、
前記第２燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すために燃料の噴射を行う第２噴射は、噴射開始初期の噴射率が高められたことを特徴とする気体燃料エンジン。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の気体燃料エンジンにおいて、
前記第２燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すために燃料の噴射を行う第２噴射は、噴射開始初期の噴射率が下げられたことを特徴とする気体燃料エンジン。
【請求項８】
燃料に気体燃料を用いる気体燃料エンジンであって、
１サイクルの燃焼期間中に、
空気過剰率λが高くてＮＯｘの生成が少なくなるリーン側低ＮＯｘ領域の混合気の燃焼を行う第１燃焼期間に続いて、
空気過剰率λが低くてＮＯｘの生成が少なくなるリッチ側低ＮＯｘ領域の混合気の燃焼を行う第２燃焼期間への切り替えを行うことを特徴とする気体燃料エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素やＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の気体燃料の燃焼を行うエンジンに関するもので、特に燃焼する混合気の空燃比（空気過剰率）制御に関する。
なお、空気過剰率は実空燃比／理論空燃比の関係であって、混合気が完全燃焼する理論空燃比の時の空気過剰率λを１として説明するものであり、空気の量が増加するに従って空気過剰率λの値が増加するものである。
また、文章中において「局所空気過剰率」とは、エンジン筒内の混合気が存在する領域の部分的な空気過剰率を示すものであり、「平均空気過剰率」は燃焼室内（エンジン筒内）に供給される空気量と燃料との全体的な空気過剰率を示すものである。
【０００２】
具体的に、「局所空気過剰率」と「平均空気過剰率」を図１２を参照して説明する。なお、図１２（ｂ）、（ｃ）は、実施例１における図３（ｂ）、（ｃ）に対応した模式図であって、図１２（ａ）は存在しない。
燃焼室内における空気（筒内全空気）をＡ、混合気における空気をＢ、混合気における燃料をＣとした場合、「局所空気過剰率」は「（Ｂ／Ｃ）／λ」であり、「平均空気過剰率」は「｛Ａ（このＡはＢを含む）／Ｃ｝／λ」である。
【背景技術】
【０００３】
気体燃料、特に水素を燃焼させるエンジンの場合は、ＮＯｘを低減することが重要な課題となる。
この課題を解決するための従来技術として、特許文献１〜４が知られている。
【０００４】
（１）特許文献１には、燃焼中の混合気の局所空気過剰率λが２以上の領域では、ＮＯｘが殆ど生成されないことを利用して、エンジンの運転領域を平均空気過剰率λ＝２以上の領域に限定する技術が開示されている。
しかし、平均空気過剰率λ＝２以上の領域に限定すると、出力の不足が発生するため、出力不足を電気モータとエンジンとのハイブリッド化で対応するものであり、エンジン単独での使用は困難であった。
【０００５】
（２）特許文献２には、燃焼中の混合気の平均空気過剰率λが所定空気過剰率λ０（１＜λ０＜２の値：図２参照）を境にして、予混合気形成あるいは直噴形成の一方のＮＯｘの生成が少ない側に切り替える技術が開示されている。
しかし、所定空気過剰率λ０の前後は、ＮＯｘの多い空気過剰率の領域であって、予混合気形成であっても、直噴形成であっても、十分にＮＯｘを低減することができない。
【０００６】
（３）特許文献３には、ＮＯｘ触媒の蓄積ＮＯｘ量が規定値を超えた場合に、一時的に平均空気過剰率λ＜１（燃料過剰）に制御して、触媒に蓄積したＮＯｘを還元して排出する技術が開示されている。
しかし、ＮＯｘの蓄積が早い場合は、頻繁に空気過剰率λ＜１に制御するため、エンジン出力にならない燃料を使うことになる。従って、燃費の悪化が懸念される。
【０００７】
（４）特許文献４には、燃料を複数回に分けて噴射することで、確実な点火が可能な混合気をスパークギャップ（火花放電ギャップ）に形成する技術が開示されている。
しかし、この特許文献４によって確実な点火ができても、燃焼室全体には、局所的な濃混合気（局所空気過剰率が２未満）が広く分布している可能性があり、ＮＯｘを低減できるとは限らない。
【特許文献１】特開平５−１１８２５３号公報
【特許文献２】特開平６−２４１０７７号公報
【特許文献３】特開２００４−７６６８６号公報
【特許文献４】特公平４−３７２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は燃焼される混合気の空気過剰率λを最適化して、常にＮＯｘの排出を抑えることが可能な気体燃料エンジンの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
［請求項１の手段］
請求項１の手段を採用する気体燃料エンジンは、１サイクルの燃焼期間中に、局所空気過剰率λが２以上の第１混合気による第１燃焼期間に続いて、局所空気過剰率λが１．１以下の第２混合気による第２燃焼期間への切り替えを行うものである。
第１燃焼期間は、局所空気過剰率λが２以上の混合気の燃焼であるため、ＮＯｘの生成を極めて低く抑えることができ、第２燃焼期間は、局所空気過剰率λが１．１以下の混合気の燃焼であるため、ＮＯｘの生成を低く抑えることができる。
そして、このようにＮＯｘの生成が少ない第１、第２燃焼期間を１サイクルの燃焼期間中に切り替えることで、ＮＯｘの生成の多い空気過剰率λが１．１〜２の燃焼領域を無くす、あるいはほぼ無くすことができ、気体燃料の燃焼によるＮＯｘの生成を極めて低く抑えることができる。
【００１０】
［請求項２の手段］
請求項２の手段を採用する気体燃料エンジンは、インジェクタによって燃料を噴射した後、噴射された燃料が燃焼用の空気と混合して、局所空気過剰率λが２以上となるタイミングで着火手段によって着火を行うことで第１燃焼期間の燃焼を開始させるものである。  
【００１１】
［請求項３の手段］
請求項３の手段を採用する気体燃料エンジンは、インジェクタによって第１燃焼期間で発生した火炎中に直接燃料を噴射供給することで、第２燃焼期間の燃焼を開始させて、第１燃焼期間から第２燃焼期間への切り替えを実施するものである。
【００１２】
［請求項４の手段］
請求項４の手段を採用する気体燃料エンジンは、第１燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すために燃料の噴射を行う第１噴射と、第２燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すために燃料の噴射を行う第２噴射との間における噴射停止のクランク角インターバルを、エンジン回転数が速くなるに従って短くし、エンジン回転数が遅くなるに従って長くするものである。
このように設けることにより、エンジン回転数が変化しても、第１噴射と第２噴射の時間的なインターバルの変化を抑えることができる。
【００１３】
［請求項５の手段］
請求項５の手段を採用する気体燃料エンジンは、第２燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すために燃料の噴射を行う第２噴射の噴射開始時期を、エンジン負荷が大きくなるに従って進角側に早め、エンジン負荷が小さくなるに従って遅角側に遅らすものである。
エンジンの発生トルクは、第２燃焼期間の燃焼に大きく依存するため、エンジンの発生トルクを増加させる場合は、第２燃焼期間を長くする。この時、第２燃焼期間の燃焼終了時期はほぼ一定であることが要求されるため、第２燃焼期間の燃焼開始時期を可変することで、エンジンの発生トルクを可変するものである。
【００１４】
［請求項６の手段］
請求項６の手段を採用する気体燃料エンジンは、第２噴射（第２燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すための燃料噴射）の噴射開始初期の噴射率を高めたものである。  このように設けられることにより、第２噴射の噴射直後における燃焼と空気の混合性が悪くなり、着火遅れ時間内の局所空気過剰率λを１．１以下にすることができる。これによって、第２噴射による燃料の着火開始時の局所空気過剰率λを１．１以下にでき、第２噴射の燃焼開始時点からＮＯｘの生成を抑えることができる。
【００１５】
［請求項７の手段］
請求項７の手段を採用する気体燃料エンジンは、第２噴射（第２燃焼期間で燃焼を行うための混合気を作り出すための燃料噴射）の噴射開始初期の噴射率を下げたものである。  このように設けられることにより、第２噴射の噴射直後における燃焼と空気の混合性が良くなり、着火遅れ時間内の局所空気過剰率λを２以上にすることができる。これによって、着火遅れ時間内のＮＯｘの生成量を抑えることができる。
【００１６】
［請求項８の手段］
請求項８の手段を採用する気体燃料エンジンは、１サイクルの燃焼期間中に、空気過剰率λが高くてＮＯｘの生成が少なくなるリーン側低ＮＯｘ領域の混合気の燃焼を行う第１燃焼期間に続いて、空気過剰率λが低くてＮＯｘの生成が少なくなるリッチ側低ＮＯｘ領域の混合気の燃焼を行う第２燃焼期間への切り替えを行うものである。
このように設けることにより、ＮＯｘの生成の多い空気過剰率λの燃焼領域を無くす、あるいはほぼ無くすことができ、気体燃料の燃焼によるＮＯｘの生成を極力低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
最良の形態１の気体燃料エンジンは、燃料に気体燃料を用いるものであって、１サイクルの燃焼期間中に、局所空気過剰率λが２以上の第１混合気による第１燃焼期間に続いて、局所空気過剰率λが１．１以下の第２混合気による第２燃焼期間への切り替えを行うものである。
【００１８】
最良の形態２の気体燃料エンジンは、燃料に気体燃料を用いるものであって、１サイクルの燃焼期間中に、空気過剰率λが高くてＮＯｘの生成が少なくなるリーン側低ＮＯｘ領域の混合気の燃焼を行う第１燃焼期間に続いて、空気過剰率λが低くてＮＯｘの生成が少なくなるリッチ側低ＮＯｘ領域の混合気の燃焼を行う第２燃焼期間への切り替えを行うものである。
【実施例１】
【００１９】
実施例１を図１〜図６を参照して説明する。
（実施例１の理解を補助するための説明）
ガソリンを燃料とするオットーサイクルエンジンは、圧縮ＴＤＣ（上死点）前に筒内への燃料供給を完了し、圧縮によりガソリンを蒸発させた状態で点火装置により点火を行い、火炎伝播で燃焼が進行する。即ち、オットーサイクルエンジンには、火炎伝播で燃焼が進行する定容燃焼域がある。
ここで、ガソリンは、燃焼のために蒸発が必要な燃料であり、自己着火、引火し難い燃料であるため、燃焼中に燃料を供給しても、十分な燃焼が困難で、未燃焼ガスの排出や出力低下を招いてしまう。
【００２０】
一方、軽油を燃料とするサバテサイクルエンジンは、圧縮ＴＤＣ付近で筒内への燃料供給を行い、点火装置を用いることなく、圧縮によって燃料が自己着火し、混合気の混合速度に応じて燃焼が進行する。即ち、サバテサイクルエンジンには、混合気の混合速度に応じて燃焼が進行する定圧燃焼域がある。
ここで、軽油は、早期に筒内に供給されると、壁面に付着する不具合が生じる。また、サバテサイクルエンジンは、軽油を自己着火で燃焼開始させるために、自己着火点を正確に制御しなければ、最適な燃焼を実現できない。
【００２１】
気体燃料エンジンは、燃料に気体を用いるため、蒸発遅れはない。また、気体燃料（特に、水素）は、ガソリンと同様に、自己着火し難い特性を有している。従って、上述したオットーサイクルエンジンを用いることが検討される。
しかし、気体燃料（特に水素）は、ＮＯｘの排出量が懸念される。
そこで、本発明は、気体燃料の特性を生かして、新たにオットーサイクルエンジンとサバテサイクルエンジンを複合させた燃焼方式（サバテサイクルに近い）の気体燃料エンジンを提案するものであり、以下において具体的な実施例を説明する。
【００２２】
（実施例１の基本構成の説明）
気体燃料エンジンは、水素、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の気体燃料の燃焼を行う内燃機関である。なお、図１では説明の容易化のためにエンジンの一気筒のみを示すものであるが、複数の気筒を備える場合であっても、各気筒毎に以下に説明する空気過剰率λの制御が実施されるものである。
【００２３】
（気体燃料エンジンの基本構成）
図１に示す気体燃料エンジンは、点火装置を搭載した直噴式の内燃機関であり、エンジン本体１、燃料噴射装置２、点火装置３、ＥＣＵ（エンジン・エレクトリック・コントロール・ユニットの略）４で構成される。
【００２４】
（エンジン本体１の説明）
エンジン本体１は、シリンダが形成されたシリンダブロック５と、クランクシャフトにロッドを介して連結されてシリンダ内を往復動可能なピストン６と、吸気ポートおよび排気ポートが形成されてシリンダ頂部を閉塞するシリンダヘッド７とを備える。
【００２５】
（燃料噴射装置２の説明）
燃料噴射装置２は、高圧の気体燃料を蓄える高圧源１１、この高圧源１１に蓄えられた燃料の一部を適切な圧力に調圧して出力する調圧装置１２、この調圧装置１２で調圧された燃料を蓄圧する蓄圧室１３、シリンダヘッド７に取り付けられて燃焼室（エンジン筒内）１４に蓄圧室１３で蓄圧された燃料を直接噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１５、このインジェクタ１５に噴射のための電力を付与するインジェクタ駆動回路１６を備える。なお、このインジェクタ駆動回路１６は、ＥＣＵ４のケース内に配置されるものであっても良い。
【００２６】
（点火装置３の説明）
点火装置３は、シリンダヘッド７に取り付けられて、火花放電部に形成される局所の混合気に着火を行う点火プラグ１７（着火手段に相当する）、この点火プラグ１７に火花放電のための高電圧を付与する点火プラグ駆動回路１８を備える。なお、この点火プラグ駆動回路１８も、ＥＣＵ４のケース内に設けられるものであっても良い。
【００２７】
（気体燃料エンジンの基本動作）
気体燃料エンジンの基本動作は、オットーサイクルエンジンおよびサバテサイクルエンジンと略同じで、吸入工程、圧縮工程、爆発工程（燃焼工程）、排気工程を行うものであり、本発明の適用は２サイクルエンジンであっても、４サイクルエンジンであっても良い。
【００２８】
（ＥＣＵ４の説明）
ＥＣＵ４は、制御処理、演算処理を行う１つのＣＰＵ、各種プログラムおよびデータを保存する記憶装置（ＲＯＭ、スタンバイＲＡＭまたはＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ）、入力回路、出力回路、電源回路を含んで構成されている周知構造のマイクロコンピュータで構成される。
そして、ＥＣＵ４は、エンジン等の運転状態に応じて燃料噴射装置２のインジェクタ駆動回路１６、点火装置３の点火プラグ駆動回路１８を制御することで、インジェクタ１５の噴射と、点火プラグ１７の火花放電を制御するものであり、エンジン等の運転状態を検出する手段として、ＥＣＵ４には多数のセンサ信号が入力される。
ＥＣＵ４に接続されるセンサ類には、エンジン回転数（回転速度）およびクランク角を検出する回転数センサ２１（ＮＥセンサ）、アクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ２２、および図示しない多数のセンサ類がある。なお、この実施例１では、アクセル開度によってエンジン負荷を検出するものとするが、ＥＣＵ４が演算する燃料噴射量等に基づいてエンジン負荷を検出しても良い。
【００２９】
（インジェクタ制御系）
ＥＣＵ４は、インジェクタ１５の制御プログラムとして、燃料の噴射毎に、ＲＯＭに記憶されたプログラムと、ＲＡＭに読み込まれたセンサ類の信号（現運転状態）とに基づいて、噴射形態を決定する「噴射形態決定手段」、各噴射毎の目標噴射量を算出する「目標噴射量算出手段」、各噴射毎の目標噴射開始時期を算出する「目標噴射開始時期算出手段」を備える。
【００３０】
「噴射形態決定手段」は、現運転状態に応じたインジェクタ１５の噴射形態の決定を行う制御プログラムである。
具体的には、現運転状態に応じて、第１噴射のみの噴射形態（軽負荷噴射形態）か、第１噴射と第２噴射を組み合わせた噴射形態（中〜高負荷噴射形態）かの決定を行う制御プログラムを備える。
【００３１】
「目標噴射量算出手段」は、現運転状態に応じた目標噴射量を求め、この目標噴射量を得るためのインジェクタ１５の通電期間を求める制御プログラムである。
具体的には、現運転状態に応じて局所空気過剰率λが２以上となる混合気を作り出すための第１噴射の噴射量を求めて、この第１噴射の噴射量を得るためのインジェクタ１５の通電期間を求めるとともに、第２噴射を実施する場合は、現運転状態に応じて局所空気過剰率λが１．１以下となる混合気を作り出すための第２噴射の噴射量を求めて、この第２噴射の噴射量を得るためのインジェクタ１５の通電期間を求める制御プログラムを備える。
【００３２】
「目標噴射開始時期算出手段」は、現運転状態に応じた目標噴射開始時期を求め、この目標噴射開始時期に噴射を開始させるためのインジェクタ１５の通電開始時期を求める制御プログラムである。
具体的には、エンジン回転数およびエンジン負荷に応じて第１噴射の噴射開始時期を求め、この第１噴射の噴射開始時期に噴射を開始させるためのインジェクタ１５の通電開始時期を求めるとともに、第２噴射を実施する場合は、エンジン回転数およびエンジン負荷に応じて第２噴射の噴射開始時期を求め、この第２噴射の噴射開始時期に噴射を開始させるためのインジェクタ１５の通電開始時期を求める制御プログラムを備える。なお、この制御プログラムの具体例は後述する。
【００３３】
（点火プラグ制御系）
ＥＣＵ４は、点火プラグ１７の駆動プログラムとして、燃料の燃焼毎に、ＲＯＭに記憶されたプログラムと、ＲＡＭに読み込まれたセンサ類の信号（現運転状態）とに基づいて、点火プラグ１７の火花放電時期（点火プラグ１７の駆動タイミング：点火時期）を決定する「点火時期決定手段」を備える。
なお、点火プラグ１７の火花放電時期は、第１燃焼期間の燃焼開始時期であり、「点火時期決定手段」は、第１燃焼期間の燃焼開始の決定手段でもある。
【００３４】
［実施例１の特徴］
実施例１の特徴を、図１の他、図２〜図６を参照して説明する。
気体燃料エンジンは、ＮＯｘを低減することが重要な課題となる。
ＮＯｘの生成は、図２に示されるように、燃焼する混合気の局所空気過剰率λに大きく依存するものであり、空気過剰率λを２以上にすることにより、ＮＯｘは殆ど生成されない。
しかし、空気過剰率λが２以上のみの燃焼では、大きなエンジントルクを得ることができないため、エンジンの運転領域の広い範囲を空気過剰率λが２以上の燃焼のみで運転することは困難である。
【００３５】
一方、図２に示されるように、空気過剰率λを１．１以下にすることにより、ＮＯｘの生成量を低く抑えることができる。
このことから、空気過剰率λが１．１以下のみの燃焼を行うことが考えられるが、空気過剰率λが１．１以下の燃焼でのＮＯｘ生成量は、空気過剰率λが２以上の燃焼でのＮＯｘ生成量より多いため、全燃焼を空気過剰率λが１．１以下で燃焼させると、ＮＯｘの生成量が増えてしまう不具合がある。また、空気過剰率λが１．０未満になる可能性が高まり、未燃焼ガスが発生する可能性が高まる。
【００３６】
そこで、実施例１の気体燃焼エンジンは、１サイクルの燃焼期間中に、空気過剰率λが高くてＮＯｘの生成が少なくなる「リーン側低ＮＯｘ領域」の混合気の燃焼を行い、途中で空気過剰率λが低くてＮＯｘの生成が少なくなる「リッチ側低ＮＯｘ領域」の混合気の燃焼に切り替えて、ＮＯｘの生成量を極力抑える。
具体的に実施例１の気体燃焼エンジンは、１サイクルの燃焼期間中に、局所空気過剰率λが２以上となるように燃焼を行い、途中で燃焼する混合気の局所空気過剰率λを１．１以下に切り替えて燃焼を行い、ＮＯｘの生成量を極力抑えるものである。
【００３７】
ここで、実施例１の気体燃焼エンジンは、（１）エンジン軽負荷時、１サイクルの燃焼期間中に「リーン側低ＮＯｘ領域」のみで燃焼を行うリーン単独運転と、（２）エンジン中高負荷時、１サイクルの燃焼期間中に先ず「リーン側低ＮＯｘ領域」で燃焼を行い、途中で「リッチ側低ＮＯｘ領域」に燃焼を切り替えるリーン／リッチ切替運転とを、切り替え可能に設けられている。
【００３８】
具体的には、（１）エンジン軽負荷時は、１サイクルの燃焼期間中に、局所空気過剰率λが２以上の燃焼のみを行い（リーン単独運転）、（２）エンジン中高負荷時は、１サイクルの燃焼期間中に、局所空気過剰率λが２以上の燃焼を行い、途中で燃焼する混合気の局所空気過剰率λを１．１以下に切り替えて燃焼を行うものである（リーン／リッチ切替運転）。
即ち、（１）要求トルクが第１燃焼期間のみの燃焼で得られる場合は、局所空気過剰率λが２以上の燃焼のみを行うものであり、（２）要求トルクが第１燃焼期間のみの燃焼で得られない場合は、局所空気過剰率λが２以上の燃焼を行い、途中で燃焼する混合気の局所空気過剰率λを１．１以下に切り替えて燃焼を行うものである。
なお、空気過剰率λが高くてＮＯｘの生成が少なくなる「リーン側低ＮＯｘ領域」の混合気が燃焼する期間（実施例１では、局所空気過剰率λが２以上で燃焼される期間）を第１燃焼期間と称し、空気過剰率λが低くてＮＯｘの生成が少なくなる「リッチ側低ＮＯｘ領域」の混合気が燃焼する期間（実施例１では、局所空気過剰率λが１．１以下で燃焼される期間）を第２燃焼期間と称して、以下の説明を行う。
【００３９】
（第１燃焼期間で局所空気過剰率λが２以上の燃焼が実施される説明）
第１燃焼期間は、インジェクタ１５によって燃料を噴射｛図３（ａ）、図４参照：第１噴射と称す｝した後、噴射された燃料が燃焼用の空気と混合して、点火プラグ１７の火花放電部近傍の局所空気過剰率λが２以上となるタイミングで点火プラグ１７により点火を行うことで第１燃焼期間の燃焼が開始される｛図３（ｂ）、図１２（ｂ）、図４参照｝。この第１燃焼期間では、局所空気過剰率λが２以上の混合気が燃焼を行うため、ＮＯｘは殆ど生成されない。
【００４０】
（第２燃焼期間で局所空気過剰率λが１．１以下の燃焼が実施される説明）
第２燃焼期間は、インジェクタ１５によって第１燃焼期間で発生した火炎中に直接燃料を噴射｛図３（ｃ）、図１２（ｃ）、図４参照：第２噴射と称す｝することで第２燃焼期間の燃焼が開始される。この第２燃焼期間では、局所空気過剰率λが１．１以下の混合気が燃焼を行うため、ＮＯｘの発生が低く抑えられる。
【００４１】
（エンジン回転数に対する第１噴射の噴射開始時期の説明）
第１燃焼期間において、局所空気過剰率λを２．０以上とするために、第１噴射から点火時期までにある程度の時間（燃料の拡散時間）を必要とする。この燃料の拡散時間を確保するために、（１）エンジン回転数が遅くなるに従って、図５上段に示すように、点火時期に対して第１噴射の噴射時期が遅角側に遅らされる。また、（２）エンジン回転数が速くなるに従って、図５下段に示すように、点火時期に対して第１噴射の噴射時期が進角側に進められる。
このように設けることにより、エンジン回転数が変化しても、局所空気過剰率λを２．０以上にするための燃料の拡散時間を確保することができる。
【００４２】
（エンジン回転数に対する第２噴射の噴射開始時期の説明）
第２燃焼期間の燃焼開始時は、第１燃焼期間の終り付近が望まれる。そのため、（１）エンジン回転数が遅くなるに従って、図５上段に示すように、点火時期（第１燃焼期間の燃焼開始時期）に対して第２噴射の噴射時期が進角側に進められる。また、（２）エンジン回転数が速くなるに従って、図５下段に示すように、点火時期に対して第２噴射の噴射時期が遅角側に遅らされる。
このように設けることにより、エンジン回転数が変化しても、第１燃焼期間の終了付近で第２燃焼期間の燃焼を開始させることができる。
上記の第１、第２噴射の噴射開始時期の可変制御は、請求項４の手段に相当する技術であり、第１噴射と第２噴射との間における噴射停止のクランク角インターバルが、エンジン回転数が速くなるに従って短くなり、エンジン回転数が遅くなるに従って長くなるものである。
【００４３】
（エンジン負荷に対する第２噴射の噴射開始時期の説明）
エンジンの発生トルクは、第２燃焼期間の燃焼に大きく依存する。このため、エンジン負荷が増加するに従い、第２噴射の噴射量が増加して、第２燃焼期間が長く制御される。この時、第２燃焼期間の燃焼終了時期（クランク角）は、燃焼エネルギーを効率良くクランクシャフトに伝えるために、ほぼ一定時期であることが要求される。
そのため、（１）エンジン負荷が小さくなるに従って、図６上段に示すように、第２噴射の噴射時期が遅角側に遅らされる。また、（２）エンジン負荷が大きくなるに従って、図６下段に示すように、第２噴射の噴射時期が進角側に進められる。
この第２噴射の噴射開始時期の可変制御は、請求項５の手段に相当する技術であり、エンジンの負荷が変動して、第２噴射の噴射量が変化して第２噴射の噴射期間が変化しても、第２燃焼期間の燃焼終了時期（クランク角）をほぼ一定時期にできる。
【００４４】
もちろん、上述した「エンジン回転数に対する第１、第２噴射の噴射開始時期」の制御と、「エンジン負荷に対する第２噴射の噴射開始時期」の制御とは、組み合わせて用いられるものであり、ＥＣＵ４にプログラムされたマップや演算式等によりエンジン回転数およびエンジン負荷に応じて、第１、第２噴射の噴射開始時期が適宜制御されるものである。
【００４５】
（実施例１の効果）
上述したように、実施例１の気体燃料エンジンは、要求トルクが第１燃焼期間のみの燃焼で得られる場合は、局所空気過剰率λが２以上の燃焼のみを行うものである。局所空気過剰率λが２以上の第１混合気による第１燃焼期間は、殆どＮＯｘが生成されないため、ＮＯｘの排出を極めて低く抑えることができる。
【００４６】
また、要求トルクが第１燃焼期間のみの燃焼で得られない場合は、局所空気過剰率λが２以上の第１混合気による第１燃焼期間で燃焼を行い、この第１燃焼期間の途中で燃焼する混合気の局所空気過剰率λが１．１以下の第２混合気による第２燃焼期間に切り替えるものである。
このように、要求トルクが増加しても、殆どＮＯｘが生成されない第１燃焼期間と、ＮＯｘの生成を抑えることのできる第２燃焼期間とを組み合わせた燃焼を行うことで、ＮＯｘの生成量を極限まで下げることが可能になる。
即ち、実施例１の気体燃料エンジンは、燃焼される混合気の空気過剰率λが最適化され、常にＮＯｘの排出を抑えることができる。
【実施例２】
【００４７】
実施例２を図７を参照して説明する。
実施例２の気体燃料エンジンは、第２噴射の噴射開始初期の噴射率を高めたものである。
このように、第２噴射の噴射開始初期の噴射率を高めることにより、噴射直後における燃焼と空気の混合性が悪くなり、着火遅れが長くなり、第２燃焼期間、つまりＮＯｘ生成期間が短縮される。従って、ＮＯｘの生成を抑えることができる。
【実施例３】
【００４８】
実施例３を図８を参照して説明する。
実施例３の気体燃料エンジンは、第２噴射の噴射開始初期の噴射率を下げたものである。
このように、第２噴射の噴射開始初期の噴射率を下げることにより、噴射直後における燃焼と空気の混合性が良くなり、着火遅れが短くなり、第２燃焼期間、つまりＮＯｘ生成期間が拡大される。しかし、急激な燃焼が抑制されるため（緩慢な熱発生率）、振動・騒音には有効である。
【実施例４】
【００４９】
実施例４を図９を参照して説明する。なお、以下の実施例において、実施例１と同一符号は同一機能物を示すものである。
第１噴射に必要な噴射量が少ない場合、燃焼室１４の全体に燃料が拡散すると局所空気過剰率λが非常に大きくなり（例えば、空気過剰率λが５以上）、点火や燃焼の安定性が悪くなる。
そこで、第１噴射に必要な噴射量が少ない場合は、第１噴射を複数回に分割して噴射させることで、噴射された燃料が燃焼室１４の広い範囲に分散するのを防ぎ、インジェクタ１５の噴射範囲の近傍（点火プラグ１７の火花放電部の近傍）の局所空気過剰率λを適切な範囲（２≦λ＜５）に制御して、点火や燃焼の安定を維持するものである。
このように、第１噴射に必要な噴射量が少ない場合は、第１噴射を複数回に分割して噴射させることで点火や燃焼が安定するため、第１噴射に必要な噴射量が少ない場合であっても低ＮＯｘの第１燃焼を実現できる。
【実施例５】
【００５０】
実施例５を図１０、図１１を参照して説明する。
上記の実施例の燃料噴射装置２では、燃焼室１４に直接燃料を噴射する１つのインジェクタ１５で第１噴射と第２噴射を実施する例を示した。
しかし、高速回転型のエンジンの場合や、混合性の悪いインジェクタ１５が用いられるなど、第１噴射から点火までの間に十分な混合時間が得られない場合が想定される。
【００５１】
そこで、この実施例５では、噴射から点火までの間の混合性を高める目的で、第１噴射のための第１インジェクタ１５ａを、第２噴射のための直噴の第２インジェクタ１５ｂとは別に、燃焼室１４の上流側に設けたものである。なお、図１０中の符号１６ａは、第１インジェクタ１５ａに噴射のための電力を付与する第１インジェクタ駆動回路であって、第２インジェクタ１５ｂおよび第２インジェクタ駆動回路１６ｂは、実施例１で示したインジェクタ１５およびインジェクタ駆動回路１６と同じものである。
なお、この実施例５の第１インジェクタ１５ａは、シリンダヘッド７の吸気ポート内に燃料を噴射する例を示すが、エンジンの仕様に応じて吸気マニホールド内に燃料を噴射するように設けたり、吸気マニホールドの上流の吸気管内に燃料を噴射するように設けても良い。
【００５２】
このように、第１噴射のための第１インジェクタ１５ａを燃焼室１４の上流側に設けることにより、第１噴射から点火までの距離および時間が長くなり、高速回転型のエンジンの場合や、混合性の悪い第１インジェクタ１５ａが用いられる場合であっても、燃料と空気の混合性を高めることができる。
なお、第１インジェクタ１５ａが燃焼室１４の上流側に設けられるため、第１噴射の噴射時期は、図１１に示すように、点火時期より進角側に速められるものである。
【００５３】
一方、第１インジェクタ１５ａは、直噴式ではないため、第２インジェクタ１５ｂに供給する燃料圧力は低圧で済む。
そこで、図１０に示すように、第２インジェクタ１５ｂに高圧燃料を供給する第２高圧源１１ｂ、第２調圧装置１２ｂ、第２蓄圧室１３ｂ（実施例１で示した高圧源１１、調圧装置１２、蓄圧室１３と同じもの）とは別に、第１インジェクタ１５ａへ低圧燃料を供給する第１圧力源１１ａ、第１調圧装置１２ａ、第１蓄圧室１３ａを搭載しても良い。
【００５４】
［変形例］
上記の実施例では、「リーン側低ＮＯｘ領域」として、空気過剰率λが２以上の空気過剰率を例に示したが、空気過剰率が高くてＮＯｘの生成が少なくなる空燃比領域であれば良く、例えば、空気過剰率λが１．９５以上など、略２以上としても良い。
また、上記の実施例では、「リッチ側低ＮＯｘ領域」として、空気過剰率λが１．１以下の空気過剰率を例に示したが、空気過剰率が低くてＮＯｘの生成が少なくなる空燃比領域であれば良く、例えば、空気過剰率λが１．１５以下など、略１．１以下としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】気体燃料エンジンのシステム構成図である（実施例１）。
【図２】空気過剰率とＮＯｘ生成量との関係を示すグラフである（実施例１）。
【図３】作動説明図である（実施例１）。
【図４】基本の作動説明のためのタイムチャートである（実施例１）。
【図５】回転数変動に対する噴射時期の変化を説明するためのタイムチャートである（実施例１）。
【図６】エンジン負荷変動に対する噴射時期の変化を説明するためのタイムチャートである（実施例１）。
【図７】第２噴射の噴射開始初期の噴射率を高めた場合の作動説明のためのタイムチャートである（実施例２）。
【図８】第２噴射の噴射開始初期の噴射率を下げた場合の作動説明のためのタイムチャートである（実施例３）。
【図９】第１噴射を分割して噴射する作動説明のためのタイムチャートである（実施例４）。
【図１０】気体燃料エンジンのシステム構成図である（実施例５）。
【図１１】第１噴射のためのインジェクタを燃焼室の上流側に配置した場合の作動説明のためのタイムチャートである（実施例５）。
【図１２】「局所空気過剰率」と「平均空気過剰率」を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１    エンジン本体
２    燃料噴射装置
３    点火装置
４    ＥＣＵ
１５    インジェクタ（第１、第２噴射を行うインジェクタ）
１５ａ  第１インジェクタ（第１噴射のみを行うインジェクタ）
１５ｂ  第２インジェクタ（第２噴射のみを行うインジェクタ）
１７    点火プラグ（着火手段）
【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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【図１１】
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【図１２】
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