(57)【要約】【課題】内燃機関の圧縮比が変更可能な可変圧縮比内燃機関において、燃焼速度の異なる複数の種類の燃料を併用する場合に、それぞれの燃料に対して良好な機関性能を得ることができる技術を提供する。【解決手段】内燃機関の圧縮比が変更可能であるとともに、ガソリンと水素など、燃焼速度の異なる複数の種類の燃料を複数の燃料噴射弁から噴射する可変圧縮比内燃機関であって、使用する燃料に応じて、内燃機関が目標とすべき圧縮比を読み出すマップを切換え、ノッキングの発生などを抑制する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記内燃機関の圧縮比が変更可能であるとともに、燃焼速度の異なる複数の種類の燃料を併用する可変圧縮比内燃機関であって、
使用する前記燃料の燃焼速度に応じて前記内燃機関の圧縮比を変更する燃料対応圧縮比変更手段を備えることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
【請求項２】
前記複数の種類の燃料は、水素及び、所定の石油系燃料であり、
前記燃料対応圧縮比変更手段は、燃料として水素を使用する場合には、前記内燃機関の圧縮比を、同じ環境条件および／または同じ運転状態において前記石油系燃料を使用する場合より高くすることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項３】
燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が所定の第１高負荷領域に属する場合には、前記燃料対応圧縮比変更手段は、前記内燃機関の圧縮比を、前記内燃機関の筒内圧が所定の限界筒内圧を超えない圧縮比とすることを特徴とする請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項４】
燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が所定の第１高負荷領域に属する場合には、前記燃料対応圧縮比変更手段が、前記内燃機関の圧縮比を、前記内燃機関の筒内圧が所定の限界筒内圧を超えない圧縮比とするとともに、前記内燃機関における燃料点火時期が遅角されることを特徴とする請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項５】
前記内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する第１燃料噴射手段と、
前記内燃機関の吸気ポート内に燃料を噴射する第２燃料噴射手段と、をさらに備え、
前記燃料対応圧縮比変更手段は、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が少なくとも所定の第２高負荷領域に属する場合には、前記第１燃料噴射手段から燃料を噴射するときは、同じ環境条件および／または同じ運転状態において前記第２燃料噴射手段から燃料を噴射するときより、前記内燃機関の圧縮比を低くすることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項６】
燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の空燃比が、前記内燃機関からのＮＯx排出量が所定の限界ＮＯx量より高くなり且つ前記空燃比がリッチになるほど排出ＮＯx量が増加する所定の第１空燃比範囲に属する場合には、前記内燃機関の気筒に供給される混合気がリーン化されるとともに、前記燃料対応圧縮比変更手段が、前記内燃機関の圧縮比を低くすることにより、前記ＮＯx排出量を前記限界ＮＯx量以下とすることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項７】
燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の空燃比が、前記内燃機関からのＮＯx排出量が所定の限界ＮＯx量より高くなり且つ前記空燃比がリッチになるほど排出ＮＯx量が減少する所定の第２空燃比範囲に属する場合には、前記内燃機関の気筒に供給される混合気がリッチ化されるとともに、前記燃料対応圧縮比変更手段が、前記内燃機関の圧縮比を低くすることにより、前記ＮＯx排出量を前記限界ＮＯx量以下とすることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項８】
前記燃料としての水素は、水素タンクに貯留されるとともに前記内燃機関の気筒または吸気ポートに所定の水素噴射圧で噴射され、
前記燃料対応圧縮比変更手段は、燃料として水素を使用する場合には、前記水素噴射圧および／または前記水素タンク内の圧力に応じて、前記内燃機関の圧縮比を変更することを特徴とする請求項２から７のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の圧縮比が変更可能であって、特に燃焼速度の異なる複数の種類の燃料を併用する可変圧縮比内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的とした、内燃機関の圧縮比を可変にする技術が提案されている。この種の技術としては、シリンダブロックとクランクケースとを相対移動可能に連結するとともにその連結部分にカム軸を設け、前記カム軸を回動させてシリンダブロックとクランクケースとを接近又は離反させる技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
【０００３】
一方、近年問題となっている燃料資源の枯渇への不安、二酸化炭素の排出による地球温暖化への影響を解決すべく、水素を燃料として使用するタイプの内燃機関が注目されている。また、水素の入手性を考慮し、水素及びガソリン両方の燃料を使用可能としたバイ・フューエルシステムの開発が進められている（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、これらのバイ・フューエルシステムにおいては、内燃機関の圧縮比は固定であり、燃料としてガソリンを使う場合と、水素を使う場合との両方に対して最適化されたものではなかった。従って、両方の燃料において充分な機関性能を得ることが困難な場合があった。
【特許文献１】特開平７−２６９８１号公報
【特許文献２】特開２００３−２０６７７１号公報
【特許文献３】特開昭６３−１５９６４２号公報
【非特許文献１】山根  健、「ＢＭＷの水素自動車開発」、エンジンテクノロジー、山海堂、平成１５年１２月、第５巻、第６号、ｐ．２４―２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の圧縮比が変更可能な可変圧縮比内燃機関において、燃焼速度の異なる複数の種類の燃料を併用する場合に、それぞれの燃料に対して良好な機関性能を得ることができる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための本発明は、前記内燃機関の圧縮比が変更可能であるとともに、燃焼速度の異なる複数の種類の燃料を併用する可変圧縮比内燃機関であって、
使用する前記燃料の燃焼速度に応じて前記内燃機関の圧縮比を変更する燃料対応圧縮比変更手段を備えることを最大の特徴とする。
【０００６】
ここで、燃料の燃焼速度によって、内燃機関におけるノッキングの発生し易さが異なることが判っている。これは、燃焼速度が遅いと、燃焼が内燃機関の気筒における末端にまで拡散する前に、前記気筒における末端で燃料の自着火が生じる可能性が高くなることによる。このことより、燃料の燃焼速度によって、設定しうる圧縮比の限界値が異なる。具体的には、燃焼速度が速い燃料を用いた場合ほど、高い圧縮比を設定可能であり、より高い燃焼効率を得ることが可能となる。そこで、本発明においては、圧縮比が変更可能であるとともに、燃焼速度の異なる複数の種類の燃料を併用する可変圧縮比内燃機関において、使用する燃料の燃焼速度に応じて前記内燃機関の圧縮比を変更するようにした。
【０００７】
そうすれば、燃焼速度の異なる複数の燃料を併用する場合に、それぞれの燃料に対して
最適な圧縮比を選択することができ、それぞれの燃料に対してより高い燃焼効率を得ることができる。
【０００８】
また、本発明においては、前記複数の種類の燃料は、水素及び、所定の石油系燃料であり、
前記燃料対応圧縮比変更手段は、燃料として水素を使用する場合には、前記内燃機関の圧縮比を、同じ環境条件および／または同じ運転状態において前記石油系燃料を使用する場合より高くするようにしてもよい。
【０００９】
ここで、所定の石油系燃料とはガソリンまたは軽油を意味する。この場合、燃料としての水素の燃焼速度は、ガソリンまたは軽油の燃焼速度より速い。従って、燃料として水素を使用する場合には、前記内燃機関の圧縮比を、同じ環境条件および／または同じ運転状態において前記石油系燃料を使用する場合と比較して高くするようにすれば、各々の燃料に対して最適な圧縮比を選択することができる。その結果、燃料として水素及び、所定の石油系燃料を用いた両方の場合について、より高い燃焼効率を得ることができる。
【００１０】
また、本発明においては、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が所定の第１高負荷領域に属する場合には、前記燃料対応圧縮比変更手段は、前記内燃機関の圧縮比を、前記内燃機関の筒内圧が所定の限界筒内圧を超えない圧縮比とするようにしてもよい。
【００１１】
ここで、燃料として水素を使用した場合には、燃料として所定の石油系燃料を使用した場合と比較して、燃焼速度が速くなると同時に、燃焼室内における筒内圧の最大値が高くなることが分かっている。そうすると、燃料として水素を使用しており、内燃機関の圧縮比が高い場合には、高負荷の運転状態において筒内圧の最大値が過度に高くなり、気筒周辺の機構部品の信頼性に悪影響を及ぼす場合がある。
【００１２】
そこで、本発明においては、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が所定の第１高負荷領域に属する場合には、前記燃料対応圧縮比変更手段は、前記内燃機関の圧縮比を、前記内燃機関の筒内圧が所定の限界筒内圧を超えない圧縮比とすることとしてもよい。そうすることにより、気筒周辺の機構部品の信頼性に悪影響が及ぶことを抑制できる。
【００１３】
ここで、限界筒内圧とは、前記内燃機関の筒内圧がこれを超えた場合には、気筒周辺の機構部品の信頼性に対する悪影響が出る可能性が生じる閾値としての筒内圧であり、予め実験的または設計的に求められる値である。また、所定の第１高負荷領域とは、前記内燃機関の運転状態がこの領域に属する場合には、前記内燃機関の圧縮比によっては、前記内燃機関の筒内圧のピーク値が前記限界筒内圧を超える可能性があると考えられる運転状態の領域である。この領域についても予め実験的に求められる。
【００１４】
具体的には、内燃機関の運転状態（前記第１高負荷領域に属する）と、この負荷に対して、前記筒内圧が限界筒内圧を超えない範囲で最大の圧縮比との関係をマップ化しておき、前記内燃機関の運転状態に応じた圧縮比の値を当該マップから読み出して、読み出された圧縮比に変更するようにしてもよい。また、前記内燃機関の運転状態が前記第１高負荷領域に属する場合には、実際の筒内圧を筒内圧センサで検出し、実際の筒内圧が限界筒内圧を越えないように、圧縮比を変更するようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明においては、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が所定の第１高負荷領域に属する場合には、前記燃料対応圧縮比変更手段が、前記内燃機関の圧縮比を、前記内燃機関の筒内圧が所定の限界筒内圧を超えない圧縮比とする
とともに、前記内燃機関における燃料点火時期が遅角されるようにしてもよい。
【００１６】
ここで、内燃機関の気筒における筒内圧は、気筒におけるピストンの運動に起因する圧力がベースとなり、そのベースに燃料の燃焼による燃焼圧が加わる形で決定される。一方、燃料として水素を使用する場合は、燃焼速度が速いために、燃料として所定の石油系燃料を使用した場合と比較して、燃料点火時期を遅くする制御が行われることが多く、燃料点火時期は、圧縮上死点より後にすることが多い。
【００１７】
このように、燃料点火時期が圧縮上死点より後である場合には、ベースであるピストンの運動に起因する圧力は、燃料点火時期が遅くなるほど低くなる。従って、燃料として水素を使用する場合に、燃料点火時期を遅角すれば、ベースであるピストンの運動に起因する圧力がより低い状態で燃料に点火することができる。その結果、前記内燃機関における筒内圧の最大値を低く抑えることができる。
【００１８】
従って、本発明において、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が所定の第１高負荷領域に属する場合には、前記内燃機関の圧縮比を前記内燃機関の筒内圧が所定の限界筒内圧を超えない圧縮比とするとともに、前記内燃機関における燃料点火時期を遅角することにより、より確実に、筒内圧を前記限界筒内圧以下に抑えることができる。
【００１９】
また、本発明において、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が所定の第１高負荷領域に属する場合には、前記内燃機関の圧縮比を低くする制御と、前記内燃機関における燃料点火時期を遅角させる制御を併用すれば、前記内燃機関の筒内圧が所定の限界筒内圧を超えない圧縮比としての圧縮比の目標値を、より高く設定することができる。そうすれば、燃料をして水素を使用する場合に、より高い機関効率を得ることができる。
【００２０】
また、本発明においては、前記内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する第１燃料噴射手段と、
前記内燃機関の吸気ポート内に燃料を噴射する第２燃料噴射手段と、をさらに備え、
前記燃料対応圧縮比変更手段は、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が少なくとも所定の第２高負荷領域に属する場合には、前記第１燃料噴射手段から燃料を噴射するときは、同じ環境条件および／または同じ運転状態において前記第２燃料噴射手段から燃料を噴射するときより、前記内燃機関の圧縮比を低くするようにしてもよい。
【００２１】
ここで、燃料として水素を使用する場合、燃料噴射方法として、燃料の充填効率を高めて出力を向上させるために気筒内に直接燃料を噴射する方法と、水素と空気との混合を良好にするために吸気ポート内に燃料を噴射する方法とがある。そして、前記気筒内に直接燃料を噴射する場合は、吸気ポート内に燃料を噴射する場合と比較し、燃料の充填量が多いとともに、燃料が気筒全体に均一に拡散せずに部分的に集中して存在する可能性が高いので、燃焼時の筒内圧の最大値がより高くなる場合が多い。
【００２２】
そこで、本発明においては、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の運転状態が少なくとも前記第２高負荷領域に属する場合、気筒内に直接燃料を噴射するときには、同じ環境条件および／または同じ運転状態において吸気ポートに燃料を噴射するときより、前記内燃機関の圧縮比を低くするようにしてもよい。そうすれば、気筒内に直接燃料を噴射する場合に、筒内圧が前記限界筒内圧を超えることをより確実に抑制することができる。逆にいうと、吸気ポートに燃料を噴射する場合には、より高い圧縮比とすることができ、前記内燃機関の機関効率をより高めることができる。
【００２３】
ここで、前記第２高負荷領域とは、前記内燃機関の運転状態がこの領域の属している場合は、圧縮比によっては、前記第１燃料噴射手段から燃料を噴射するときは、燃焼時の筒内圧の最大値が過度に高くなる危険性が生じると考えられる運転状態の領域であり、予め実験的に求められる。
【００２４】
また、本発明においては、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の空燃比が、前記内燃機関からのＮＯx排出量が所定の限界ＮＯx量より高くなり且つ前記空燃比がリッチになるほど排出ＮＯx量が増加する所定の第１空燃比範囲に属する場合には、前記内燃機関の気筒に供給される混合気がリーン化されるとともに、前記燃料対応圧縮比変更手段が、前記内燃機関の圧縮比を低くすることにより、前記ＮＯx排出量を前記限界ＮＯx量以下とするようにしてもよい。
【００２５】
ここで、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の空燃比が比較的低い場合には、前記空燃比がリーンになるほど、燃焼時に発生するＮＯxの量が減少することが判っている。さらに、この場合、内燃機関の圧縮比が低いほど、発生するＮＯxの量が減少することが判っている。従って、本発明においては、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の空燃比が、前記内燃機関からのＮＯx排出量が所定の限界ＮＯx量より高くなり且つ前記空燃比がリッチになるほどＮＯx排出量が増加する所定の第１空燃比範囲に属する場合に、前記内燃機関の気筒に供給される混合気をリーン化するとともに、前記内燃機関の圧縮比を低くするとよい。そうすれば、前記内燃機関の気筒に供給される混合気をリーン化するのみの場合と比較して、燃焼により発生するＮＯxの量をより効果的に減少させることができる。その結果、より確実にエミッションの低減を図ることができる。
【００２６】
ここで、所定の限界ＮＯx量とは、環境汚染の観点から内燃機関から排出するＮＯxの量として許容される限界のＮＯx量である。
【００２７】
同様に、本発明においては、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の空燃比が、前記内燃機関からのＮＯx排出量が所定の限界ＮＯx量より高くなり且つ前記空燃比がリッチになるほど排出ＮＯx量が減少する所定の第２空燃比範囲に属する場合には、前記内燃機関の気筒に供給される混合気がリッチ化されるとともに、前記燃料対応圧縮比変更手段が、前記内燃機関の圧縮比を低くすることにより、前記ＮＯx排出量を前記限界ＮＯx量以下とするようにしてもよい。
【００２８】
ここで、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の空燃比が比較的高い場合には、前記空燃比がリッチになるほど、燃焼時に発生するＮＯxの量が減少することが判っている。さらに、前述のように、内燃機関の圧縮比が低いほど、発生するＮＯxの量が減少することが判っている。従って、本発明においては、燃料として水素を使用する場合であって、前記内燃機関の空燃比が、前記内燃機関からのＮＯx排出量が所定の限界ＮＯx量より高くなり且つ前記空燃比がリッチになるほど排出ＮＯx量が減少する所定の第２空燃比範囲に属する場合に、前記内燃機関の気筒に供給される混合気をリッチ化するとともに、前記内燃機関の圧縮比を低くするとよい。そうすれば、前記内燃機関の気筒に供給される混合気をリッチ化するのみの場合と比較して、燃焼により発生するＮＯxの量をより効果的に減少させることができる。その結果、より確実にエミッションの低減を図ることができる。
【００２９】
また、本発明においては、上述のように、燃料として水素を使用しておりＮＯx排出量が所定の限界ＮＯx量を超えている場合に、前記内燃機関の空燃比が属する空燃比範囲に応じて、前記内燃機関の気筒に供給される混合気をリッチ化またはリーン化するとともに
、前記内燃機関の圧縮比を低くして、ＮＯx排出量を減少させている。従って、単に前記内燃機関の気筒に供給される混合気をリッチ化またはリーン化してＮＯx排出量を減少させる場合と比較して、混合気のリッチ化またはリーン化の程度を軽くすることができる。換言すると、ＮＯx排出量を限界ＮＯx量以下とした場合に、前記内燃機関において取り得る空燃比の許容範囲を広げることができる。
【００３０】
また、本発明においては、前記燃料としての水素は、水素タンクに貯留されるとともに前記内燃機関の気筒または吸気ポートに所定の水素噴射圧で噴射され、
前記燃料対応圧縮比変更手段は、燃料として水素を使用する場合には、前記水素噴射圧および／または前記水素タンク内の圧力に応じて、前記内燃機関の圧縮比を変更するようにしてもよい。
【００３１】
ここで、燃料として水素を使用する場合、水素は水素タンクに貯留されており、該水素タンクから供給された燃料は所定の水素噴射圧で気筒または吸気ポートに噴射される。しかし、前記水素噴射圧は、前記水素タンク内の水素量の減少に伴って低下してしまう場合がある。そうすると、燃焼時におけるノッキングの発生し易さも、前記水素タンク内の水素量の減少に伴って変化してしまうおそれがある。
【００３２】
そこで、本発明においては、前記水素噴射圧および／または前記水素タンク内の圧力に応じて、前記内燃機関の圧縮比を変更することとし、前記水素噴射圧の変化によってノッキングが発生することを抑制するようにしてもよい。
【００３３】
具体的には、前記水素噴射圧が低いほど、水素が気筒内で拡散しづらく、燃料が部分的に集中して存在する可能性が高くなるので、ノッキングが発生し易くなると考えられる。従って、前記水素噴射圧が低くなるほど圧縮比を低くすることによって、ノッキングの発生を抑制する。こうすれば、水素タンクにおける水素量の減少によって燃料噴射圧が変化し、ノッキングが発生することを抑制できる。
【００３４】
なお、上記した本発明の課題を解決する手段については、可能なかぎり組み合わせて用いることができる。また、上記した本発明の課題を解決する手段のうち、水素のみを燃料とする内燃機関に対して適用可能なものは、水素のみを燃料として使用する内燃機関に対して適用してもかまわない。
【発明の効果】
【００３５】
本発明にあっては、内燃機関の圧縮比が変更可能な可変圧縮比内燃機関において、燃焼速度の異なる複数の種類の燃料を併用する場合に、それぞれの燃料に対して良好な機関性能を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。
【実施例１】
【００３７】
以下に説明する内燃機関１は、可変圧縮比内燃機関であり、シリンダ２を有するシリンダブロック３を、ピストンが連結されたクランクケース４に対してシリンダ２の中心軸方向に移動させることによって圧縮比を変更するものである。
【００３８】
先ず、図１を用いて、本実施例に係る可変圧縮比内燃機関の構成について説明する。図1に示されるように、シリンダブロック３の両側下部に複数の隆起部が形成されており、この各隆起部に軸受収納孔５が形成されている。軸受収納孔５は、円形をしており、シリ
ンダ２の軸方向に対して直角に、かつ複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。軸受収納孔５はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側の軸受収納孔５の一対の軸線は平行である。
【００３９】
クランクケース４には、上述した軸受収納孔５が形成された複数の隆起部の間に位置するように、立壁部が形成されている。各立壁部のクランクケース４外側に向けられた表面には、半円形の凹部が形成されている。また、各立壁部には、ボルト６によって取り付けられるキャップ７が用意されており、キャップ７も半円形の凹部を有している。また、各立壁部にキャップ７を取り付けると、円形のカム収納孔８が形成される。カム収納孔８の形状は、上述した軸受収納孔５と同一である。
【００４０】
複数のカム収納孔８は、軸受収納孔５と同様に、シリンダブロック３をクランクケース４に取り付けたときにシリンダ２の軸方向に対して直角に、且つ、複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。これらの複数のカム収納孔８も、シリンダブロック３の両側に形成されることとなり、片側の複数のカム収納孔８はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側のカム収納孔８の一対の軸線は平行である。また、両側の軸受収納孔５の間の距離と、両側のカム収納孔８との間の距離は同一である。
【００４１】
交互に配置される二列の軸受収納孔５とカム収納孔８には、それぞれカム軸９が挿通される。カム軸９は、図1に示されるように、軸部９ａと、軸部９ａの中心軸に対して偏心された状態で軸部９ａに固定された正円形のカムプロフィールを有するカム部９ｂと、カム部９ｂと同一外形を有し軸部９ａに対して回転可能に取り付けられた可動軸受部９ｃとが交互に配置されている。一対のカム軸９は鏡像の関係を有している。また、カム軸９の端部には、後述するギア１０の取り付け部９ｄが形成されている。軸部９ａの中心軸と取り付け部９ｄの中心とは偏心しており、カム部９ｂの中心と取り付け部９ｄの中心とは一致している。
【００４２】
可動軸受部９ｃも、軸部９ａに対して偏心されておりその偏心量はカム部９ｂと同一である。また、各カム軸９において、複数のカム部９ｂの偏心方向は同一である。また、可動軸受部９ｃの外形は、カム部９ｂと同一直径の正円であるので、可動軸受部９ｃを回転させることで、複数のカム部９ｂの外表面と複数の可動軸受部９ｃの外側面とを一致させることができる。
【００４３】
各カム軸９の一端にはギア１０が取り付けられている。一対のカム軸９の端部に固定された一対のギア１０には、それぞれウォームギア１１ａ、１１ｂがかみ合っている。ウォームギア１１ａ、１１ｂは単一のモータ１２の一本の出力軸にとりつけられている。ウォームギア１１ａ、１１ｂは、互いに逆方向に回転する螺旋溝を有している。このため、モータ１２を回転させると、一対のカム軸９は、ギア１０を介して互いに逆方向に回転する。モータ１２は、シリンダブロック３に固定されており、シリンダブロック３と一体的に移動する。
【００４４】
次に、上述した構成の内燃機関１において圧縮比を制御する方法について詳しく説明する。図２（ａ）から図２(ｃ)にシリンダブロック３と、クランクケース４と、これら両者の間に構築されたカム軸９との関係を示した断面図を示す。図２(ａ)から図２(ｃ)において、軸部９ａの中心軸をａ、カム部９ｂの中心をｂ、可動軸受部９ｃの中心をｃとして示す。図２（ａ）は、軸部９ａの延長線上から見て全てのカム部９ｂ及び可動軸受部９ｃの外周が一致した状態である。このとき、ここでは一対の軸部９ａは、軸受収納孔５及びカム収納孔８の中で外側に位置している。
【００４５】
図２(ａ)の状態から、モータ１２を駆動して軸部９ａを矢印方向に回転させると、図２(ｂ)の状態となる。このとき、軸部９ａに対して、カム部９ｂと可動軸受部９ｃの偏心方向にずれが生じるので、クランクケース４に対してシリンダブロック３を上死点側にスライドさせることができる。そして、そのスライド量は図２(ｃ)のような状態となるまでカム軸９を回転させたときが最大となり、カム部９ｂや可動軸受部９ｃの偏心量の２倍となる。カム部９ｂ及び可動軸受部９ｃは、それぞれカム収納孔８及び軸受収納孔５の内部で回転し、それぞれカム収納孔８及び軸受収納孔５の内部で軸部９ａの位置が移動するのを許容している。
【００４６】
上述したような機構を用いることによって、シリンダブロック３をクランクケース４に対して、シリンダ２の軸線方向に相対移動させることが可能となり、圧縮比を可変制御することができる。
【００４７】
次に、本実施例における内燃機関１の詳細について説明する。図３は、内燃機関１の詳細な構成を示す断面図である。図３において、シリンダブロック３の上側には、その一部が燃焼室の天面を形成するシリンダヘッド１５が取り付けられている。シリンダヘッド１５には、燃焼室内の混合気に点火するための点火栓２２が備えられるとともに、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されている。また、吸気ポート１６及び排気ポート１７の、燃焼室への開口部には、それぞれ吸気弁１８及び、排気弁１９が往復運動可能に備えられている。
【００４８】
そして、吸気弁１８及び排気弁１９の各々の上方には、クランク軸２３の回転に同期して回転することにより、吸気弁１８及び排気弁１９の上端部を押圧して開弁させるための吸気弁用カム２０、排気弁用カム２１が設けられている。また、吸気ポート１６には、燃料としてのガソリンを噴射するガソリン用燃料噴射弁２５及び、燃料としての水素を噴射する水素用燃料噴射弁２６が備えられている。このガソリン用燃料噴射弁２５はガソリン供給管２７を介してガソリンタンク２８と連通されており、ガソリンタンク２８に貯留されたガソリンは図示しない燃料ポンプによって圧送されてガソリン用燃料噴射弁２５に所定の燃圧で供給される。一方、水素用燃料噴射弁２６は、水素供給管２９を介して水素タンク３０と連通されており、水素タンク３０に貯留された水素は所定の水素燃圧で水素用燃料噴射弁２６に供給される。ここで、この水素燃圧は、燃料としての水素が水素用燃料噴射弁２６から噴射される際の水素噴射圧に対応する。また、水素タンク３０には、圧力センサ３１が備えられており、水素タンク３０内の水素の圧力が検出できるようになっている。
【００４９】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３５が併設されている。このＥＣＵ３５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御する他、内燃機関１の圧縮比の制御及び、燃料噴射に関わる制御を行うユニットである。
【００５０】
ＥＣＵ３５には、図示しないクランクポジションセンサや、アクセルポジションセンサ、圧力センサ３１の他、内燃機関１の運転状態や圧縮比の制御、燃料噴射に関わる制御に係るセンサ類が電気配線を介して接続され、それらの出力信号がＥＣＵ３５に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ３５には、内燃機関１におけるガソリン用燃料噴射弁２５、水素用燃料噴射弁２６等が電気配線を介して接続される他、本実施例における圧縮比の制御のためのモータ１２が電気配線を介して接続されており、ＥＣＵ３５によって制御されるようになっている。
【００５１】
また、ＥＣＵ３５には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、各種データを格納したマップが記憶さ
れている。本実施例における圧縮比制御や燃料噴射制御を行うルーチンなども、ＥＣＵ３５のＲＯＭに記憶されているプログラムの一つである。
【００５２】
上述したように、本実施例における内燃機関１では、燃料として水素とガソリンを切換えて使用することが可能な構成となっている。ここで、燃料としてガソリンを使用する場合と、燃料として水素を使用する場合の気筒２内の筒内圧の変化の相違について図４を用いて説明する。図４（Ａ）に示すのは、燃料としてガソリンを使用した場合、図４（Ｂ）に示すのは、燃料として水素を使用した場合の気筒２における筒内圧の変化である。横軸はクランク角、縦軸は筒内圧を示している。また、図中破線で示したカーブは、燃焼が生じない場合、すなわち気筒２内のピストンの運動に起因する圧力変化を示しており、実線で示したカーブが燃料の燃焼による筒内圧の増加分である。
【００５３】
図４で判るように、燃料として水素を使用した場合は、ガソリンを使用した場合より燃焼速度が速いので、燃焼による筒内圧の増加分のカーブが急峻になっている。また、筒内圧のピーク値である最大筒内圧も、燃料として水素を使用した場合は、ガソリンを使用した場合と比較して高くなっている（Ｐ２＞Ｐ１）。さらに、筒内圧の増加分のカーブが急峻になっている分、点火時期が遅くても燃焼が間に合うので、燃料として水素を使用した場合は、点火時期が圧縮上死点より遅くなっている。
【００５４】
ここで、内燃機関１における燃焼について、燃焼速度が速いほどノッキングが発生しづらいことが判っている。これは、燃焼速度が速い場合には、点火栓２２による点火後早期に燃焼が終了するため、気筒２における末端で自着火が生じる危険性が低下することによる。すなわち、燃料として水素を使用した場合の方が、ガソリンを使用した場合と比較してノッキングが発生しづらいということになる。
【００５５】
そこで、本実施例においては、燃料として水素を使用する場合には、ガソリンを使用する場合と比較して内燃機関１の圧縮比を高く設定することとした。具体的には、内燃機関１の環境条件および／または運転状態と、内燃機関１の圧縮比との関係を格納したマップを水素燃料用とガソリン燃料用と２種類用意しておき、各々の燃料の使用時には、対応するマップから環境条件および／または運転状態に対応した圧縮比の値を読み出し、圧縮比の目標値とする。
【００５６】
上記の水素燃料用マップと、ガソリン燃料用マップとを比較すると、同じ環境条件および／または運転状態に対する圧縮比の値は水素燃料用マップの方が高く設定されている。また、それぞれのマップに格納されているデータは予め実験的に求めたものである。図５には、本実施例におけるガソリン燃料用マップと水素燃料用マップのベースとなる、内燃機関１の運転状態と目標とする圧縮比との関係の例を示す。図５（Ａ）は燃料としてガソリンを使用した場合の運転状態と目標とする圧縮比との関係、図５（Ｂ）は燃料として水素を使用した場合の運転状態と目標とする圧縮比との関係である。なお、図５の例においては、圧縮比の値を環境条件（例えば、冷却水温度）によって変更することはしていないが、環境条件をマップのパラメータとして加えてもよい。
【００５７】
このように、本実施例においては、燃料として水素を使用する場合には、ガソリンを使用する場合と比較して、圧縮比を高く設定するので、各々の燃料に対して最適な圧縮比を目標値とすることができ、各々の燃料に対して内燃機関１の機関効率を向上させることができる。なお、本実施例における燃料対応圧縮比変更手段は、上記の制御を行うＥＣＵ３５を含んで構成される。
【００５８】
次に本実施例における圧縮比制御の別の特徴について説明する。図４においては前述のように、燃料として水素を使用した場合の最大筒内圧Ｐ２は、燃料としてガソリンを使用
した場合の最大筒内圧Ｐ１よりも高くなっている。この場合、内燃機関１の運転状態が高負荷の状態となった際に、筒内圧が過度に高くなり、内燃機関１の気筒２における機構部品（ピストン、シリンダボア、吸気弁１８、排気弁１９など）の信頼性に悪影響を及ぼす場合がある。あるいは、前記機構部品の機械的強度や耐久性を向上させるために大型化したり、コストアップしたりする必要が生じる場合がある。
【００５９】
そこで、本実施例においては、燃料として水素を用いる場合に、内燃機関１の運転状態が第１高負荷領域に属する場合には、圧縮比を低下させ、気筒２における筒内圧を、前記機構部品の信頼性に悪影響を及ぼさない程度まで低下させることとした。具体的には、内燃機関１の運転状態が第１高負荷領域に属する場合には、前述の環境条件および／または運転状態に対応する圧縮比を読み出すためのマップを水素燃料用マップから高負荷時水素燃料用マップに変更する。
【００６０】
高負荷時水素燃料用マップと、水素燃料用マップとを比較すると、同じ環境条件および／または運転状態に対応する圧縮比の値は、高負荷時水素燃料用マップの方が低い値となっている。
【００６１】
ここで、上述の、気筒２における機構部品の信頼性に悪影響を及ぼさない程度の筒内圧は、限界筒内圧に相当する。また、第１高負荷領域とは、内燃機関１の運転状態がこの領域に属する場合には、圧縮比によっては、気筒２における最大筒内圧が前記限界筒内圧を超える可能性があると考えられる運転状態の領域であり、予め実験的に求められる。
【００６２】
図６は、上記の内燃機関１の取り得る運転状態の範囲及び第１高負荷領域と、各々の領域において圧縮比を読み出すべきマップを示した図である。図６に示すように、内燃機関１の取り得る運転状態のなかで、第１高負荷領域においては高負荷時水素燃料用マップから圧縮比を読み出すこととし、それ以外の領域においては、水素燃料用マップから圧縮比を読み出すこととする。
【００６３】
こうすれば、燃料として水素を使用する場合であって、高負荷の運転状態である場合には、圧縮比を低く設定することとなるので、気筒２における筒内圧が過度に高くなることを抑制でき、気筒２周辺の機構部品の信頼性に悪影響を及ぼすことを抑制できる。
【００６４】
また、この場合には、圧縮比を低く設定するとともに、燃料点火時期をさらに遅くしてもよい。すなわち、図４に示すように、燃料として水素を用いる場合は、点火時期は圧縮上死点より遅い時点になっている。従って、これより点火時期をさらに遅らせた場合には、ピストンの運動に起因する筒内圧は減少する。その結果、燃料としての水素の燃焼による筒内圧の増加分が同じであってもトータルとしての最大筒内圧を低く抑えることができる。
【００６５】
そのようにすれば、圧縮比を読み出すマップとして高負荷時水素燃料用マップを選択することとの相乗効果で、気筒２における筒内圧が過度に高くなることをより確実に抑制でき、気筒２周辺の機構部品の信頼性に悪影響を及ぼすことをより確実に抑制できる。
【００６６】
次に、本実施例における圧縮比制御のさらに別の特徴について説明する。図３における水素タンク３０には、前述のように燃料としての水素が貯留されており、水素タンク３０からの水素は、水素供給管２９に備えられた図示しないレギュレータで所定の水素燃圧に調圧された上で、水素用燃料噴射弁２６に供給される。しかし、水素タンク３０に残存する水素の量が減少するに伴って、レギュレータで調圧されたとしても、水素用燃料噴射弁２６における水素噴射圧が低下してしまうおそれがある。
【００６７】
そうすると、水素用燃料噴射弁２６から噴射された燃料が、気筒２内で充分に拡散しない状態で点火される場合があり、結果としてノッキングが発生し易くなる。そこで、本実施例においては、水素タンク３０に圧力センサ３１を設け、圧力センサ３１からの出力値に応じて圧縮比を変更することとした。
【００６８】
具体的には、圧力センサ３１の出力と、圧縮比の補正係数との関係を格納した圧縮比補正マップを予め作成しておき、圧力センサ３１の出力に対応する補正係数を圧縮比補正マップから読み出す。そして、圧縮比の目標値を決定する際には、前述の水素燃料用マップまたは高負荷時水素燃料用マップから読み出された圧縮比の値に、圧縮比補正マップから読み出された補正係数を乗じた上で、圧縮比の目標値とする。
【００６９】
具体的には、圧力センサ３１の出力値が小さい程、ノッキングが発生し易いので、補正係数を小さくして圧縮比を低く設定するようにする。
【００７０】
このようにすれば、水素タンク３０に残存する水素量にかかわらず、適正な圧縮比に制御することができ、内燃機関１のノッキングを良好に抑制することができる。なお、本実施例においては、水素タンク３０に圧力センサ３１を設けたが、水素用燃料噴射弁２６に圧力センサを設け、水素用燃料噴射弁２６における水素噴射圧を直接検出するようにしてもよい。
【００７１】
また、本実施例においては、水素燃料用マップまたは高負荷時水素燃料マップから読み出された圧縮比データに補正係数を乗じることにより、圧縮比を変更することとしたが、圧力センサ３１の出力によって、圧縮比の目標値を読み出すマップを変更することによって圧縮比を変更してもよい。
【実施例２】
【００７２】
次に実施例２について説明する。実施例２においては、内燃機関１が吸気ポート１６に燃料としての水素を噴射する水素用燃料噴射弁２６の他に、気筒２内に燃料としての水素を直接噴射するための直噴水素用燃料噴射弁３３を備えた場合の圧縮比の制御について説明する。
【００７３】
図７は、本実施例における内燃機関１の詳細な構成を示す断面図である。本実施例においては、内燃機関１の燃焼室の天面に、直噴水素用燃料噴射弁３３が備えられている。直噴水素用燃料噴射弁３３には直噴水素供給管３４が接続され、直噴水素供給管３４の他端は、水素供給管２９に接続されている。また、直噴水素供給管３４の途中には、高圧レギュレータ３２が備えられている。この高圧レギュレータ３２は、気筒２内に燃料としての水素を直接噴射する場合に、より水素噴射圧を高めるために備えられている。
【００７４】
ここで、内燃機関１において、水素用燃料噴射弁２６から燃料を噴射した場合には、吸気ポート１６内で、水素と空気とを良好に混合することができ燃焼を安定化することができる。一方、直噴水素用燃料噴射弁３３から気筒２内に直接燃料としての水素を噴射した場合には、燃料の充填率を向上させることができ、燃費を向上させることができる。本実施例においては、これら２つの燃料噴射を、機関温度などの環境条件および／または運転状態によって使い分けることとしている。なお、本実施例における第１燃料噴射手段は、直噴水素用燃料噴射弁３３を含んで構成される。また、本実施例における第２燃料噴射手段は、水素用燃料噴射弁２６を含んで構成される。
【００７５】
ここで、直噴水素用燃料噴射弁３３から燃料を噴射した場合には、気筒２内に充填される燃料量が多いことと、気筒２内における燃料と空気の混合が水素用燃料噴射弁２６から噴射した場合ほど良好ではないので、特に内燃機関１の運転状態が高負荷領域である場合
に、ノッキングが生じ易い場合がある。また、気筒２における最大筒内圧も過度に高くなるおそれがある。そこで、本実施例においては、内燃機関１の運転状態が少なくとも第２高負荷領域に属する場合であって、直噴水素用燃料噴射弁３３から気筒２内に直接燃料を噴射するときには、水素用燃料噴射弁２６から吸気ポート１６に燃料を噴射したときと比較して圧縮比を低く設定することとした。
【００７６】
ここで、第２高負荷領域とは、内燃機関１の運転状態がこの領域の属している場合は、圧縮比によっては、直噴水素用燃料噴射弁３３から気筒２内に直接燃料を噴射するときには、ノッキングが生じたり、最大筒内圧が過度に高くなったりする危険性が生じると考えられる運転状態の領域であり、予め実験的に求められる。
【００７７】
具体的には、内燃機関１の環境条件および／または運転状態と、内燃機関１の圧縮比との関係を格納したマップを水素用燃料噴射弁２６から燃料噴射した場合用（以下、「ポート噴射用マップ」という。）と直噴水素用燃料噴射弁３３から燃料噴射した場合用（以下、「直噴用マップ」という。）と２種類用意しておき、各々の燃料の使用時には、対応するマップから環境条件および／または運転状態に対応した圧縮比の値を読み出し、目標値とする。
【００７８】
上記のポート噴射用マップと直噴用マップとを比較すると、同じ環境条件および／または運転状態に対する圧縮比の値は直噴用マップの方が低く設定されている。また、それぞれのマップに格納されている圧縮比のデータは予め実験的に求めたものである。
【００７９】
以上、説明したように燃料としての水素を気筒２内に直接噴射する場合は、燃料としての水素を吸気ポートに噴射する場合と比較して、圧縮比を低く設定したので、どの燃料噴射弁から燃料を噴射するかにかかわらず最適な圧縮比を選択することができ、内燃機関の機関効率を向上させることができる。なお、上記の制御においては、燃料としての水素を水素用燃料噴射弁２６から噴射するか直噴水素用燃料噴射弁３３から噴射するかの切換えと、圧縮比の目標値を読み出すマップの切換えは、常に同時に行われるように制御されてもよいし、一方が切換えられたときに、他方も従属的に切換えられるように制御されてもよい。
【実施例３】
【００８０】
次に実施例３について説明する。実施例３においては、内燃機関１が燃料として水素を使用する場合であって、内燃機関１からのＮＯx排出量が所定の限界ＮＯx排出量以上である場合に、その際の内燃機関１の空燃比に応じて、空燃比をリーン化またはリッチ化するとともに、内燃機関１の圧縮比を低下させて、ＮＯx排出量を減少させる制御について説明する。なお、本実施例における内燃機関１の詳細な構成は、図３に示したものと同等であるので説明は省略する。
【００８１】
図８に示すのは、燃料として水素を使用した場合における内燃機関１の空燃比と排出ＮＯx量との関係を示すグラフである。図８に示すように、燃料として水素を使用した場合には、空燃比がリーンの状態からリッチの状態に移行するに従って、一旦ＮＯx排出量が増加してピークを迎える。そして、さらにリッチの状態に移行するに従って、ＮＯx排出量は減少する。
【００８２】
ここで、限界ＮＯx排出量とは環境汚染の観点から内燃機関１より排出が許容される限界のＮＯx排出量である。また、図８において空燃比をリーンの状態からリッチの状態に移行した場合に、ＮＯx排出量が最初に限界ＮＯx排出量を超える空燃比と、ＮＯx排出量がピークとなる空燃比の間の空燃比の範囲を第１空燃比範囲とする。一方、ＮＯx排出量がピークとなる空燃比と、さらに空燃比をリッチの状態に移行した場合にＮＯx排出量が
限界ＮＯx排出量を再度下回る空燃比との間の空燃比の範囲を第２空燃比範囲とする。
【００８３】
また、図８に示すように、内燃機関１の圧縮比を低くすれば、全体的にＮＯx排出量を低減できることが判っている。
【００８４】
本実施例においては、内燃機関１における空燃比が第１空燃比範囲に属する場合には、空燃比をリーン化するとともに圧縮比を低くして、排出ＮＯx量を限界ＮＯx量以下とする。また、空燃比が第２空燃比範囲に属する場合には、空燃比をリッチ化するとともに圧縮比を低くして、排出ＮＯx量を限界ＮＯx量以下とする。
【００８５】
このようにすれば、単に空燃比をリッチ化またはリーン化することにより、ＮＯx排出量を低減する場合と比較し、圧縮比の低減によるＮＯx排出量低減分も見込めるので、より確実に排出ＮＯx量を低減することができる。また、圧縮比を低減する制御を同時に行うことにより、ＮＯx排出量を限界ＮＯx量以下に抑えるために属するべき空燃比範囲を広げることができ、内燃機関１に対する空燃比の制限を緩和することができる。
【００８６】
なお、本実施例においては、内燃機関１の空燃比に応じて、空燃比をリッチ化またはリーン化するとともに、圧縮比を低くすることによって、ＮＯx排出量を低減することとしたが、ＮＯx排出量が、限界ＮＯx量を多少超えた程度の場合であれば、圧縮比を低くする制御によってのみ、ＮＯx排出量を低減してもよい。そうすれば、より簡単な制御によってＮＯx排出量を低減することができる。
【００８７】
なお、上記の実施例においては、燃料としてガソリンと水素の２種類の組み合わせを使用した場合について説明したが、本発明の思想を他の２種類あるいはそれ以上の燃料の組み合わせに対して適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施例に係る内燃機関におけるシリンダブロックがクランクケースに対して相対移動する経過を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る内燃機関の詳細な構成を示す断面図である。
【図４】燃料としてガソリンを使用した場合と、水素を使用した場合の、筒内圧の変化を示すグラフである。
【図５】実施例１におけるガソリン燃料用マップと水素燃料用マップのベースとなる、内燃機関の運転状態と目標とする圧縮比との関係の例を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例１に係る第１高負荷領域及び、使用されるマップについて説明するためのグラフである。
【図７】本発明の実施例２に係る内燃機関の詳細な構成を示す断面図である。
【図８】燃料として水素を使用した場合の、内燃機関１の空燃比とＮＯx排出量の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００８９】
１・・・内燃機関
２・・・シリンダ
３・・・シリンダブロック
４・・・クランクケース
５・・・軸受収納孔
６・・・ボルト
７・・・キャップ
８・・・カム収納孔
９・・・カム軸
９ａ・・・軸部
９ｂ・・・カム部
９ｃ・・・可動軸受部
１０・・・ギア
１１ａ、１１ｂ・・・ウォームギア
１２・・・モータ
１５・・・シリンダヘッド
１６・・・吸気ポート
１７・・・排気ポート
１８・・・吸気弁
１９・・・排気弁
２０・・・吸気弁用カム
２１・・・排気弁用カム
２２・・・点火栓
２３・・・クランク軸
２５・・・ガソリン用燃料噴射弁
２６・・・水素用燃料噴射弁
２７・・・ガソリン供給管
２８・・・ガソリンタンク
２９・・・水素供給管
３０・・・水素タンク
３１・・・圧力センサ
３２・・・高圧レギュレータ
３３・・・直噴水素用燃料噴射弁
３４・・・直噴水素供給管
３５・・・ＥＣＵ
【図１】
2006200508.tif 000003
【図２】
2006200508.tif 000004
【図３】
2006200508.tif 000005
【図４】
2006200508.tif 000006
【図５】
2006200508.tif 000007
【図６】
2006200508.tif 000008
【図７】
2006200508.tif 000009
【図８】
2006200508.tif 000010