(57)【要約】    【課題】  燃焼室内の多点にて希薄予混合気を着火させることにより、急峻で局所的な熱発生を抑制する。    【解決手段】  ガス噴射弁３５は燃焼室１４の吸気側側部に配置され、ガス噴射弁３５の配置側と反対側の燃焼室１４の側部へ向けて水平にガス燃料Ｆ２を噴射する。点火プラグ３８は、その点火位置が、ガス燃料Ｆ２の噴霧中に位置し、かつ、ガス噴射弁３５の噴孔とガス燃料Ｆ２の噴霧の最終到達点との中間よりガス噴射弁３５の配置側に位置するように備えられる。圧縮上死点近傍にて、液体燃料Ｆ１と空気との希薄予混合気中に、ガス噴射弁３５よりガス燃料Ｆ２が噴射される。このガス燃料Ｆ２の噴霧の先端部が点火プラグ３８の点火位置を通過した後であり、かつ、ガス噴射弁３５がガス燃料Ｆ２を噴射する期間の中間よりも後に、点火プラグ３８はガス燃料Ｆ２の噴霧に点火を行う。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料と空気との予混合気を形成する予混合気形成手段と、
前記燃焼室内にガス燃料を直接噴射するガス燃料供給手段と、
前記ガス燃料に点火可能な点火手段とを備え、
前記ガス燃料供給手段は、圧縮上死点近傍にて前記予混合気中に前記ガス燃料を噴射すると共に、前記ガス燃料の噴霧が前記点火手段の点火位置を通過して前記燃焼室内に拡散するように配置し、
前記点火手段は、前記ガス燃料の噴霧に直接点火するようにし、前記ガス燃料の噴霧の流れに沿って火炎を伝播させることで、前記予混合気を着火燃焼させることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記点火手段は、その点火位置が、前記ガス燃料供給手段の噴孔と前記ガス燃料の噴霧の最終到達点との中間より前記ガス燃料供給手段の噴孔側になるように配置することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記点火手段は、前記ガス燃料の噴霧の先端部が前記点火手段の点火位置を通過した後であり、かつ、前記ガス燃料供給手段が前記ガス燃料を噴射する期間の中間よりも後に、前記噴霧に点火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。
【請求項４】
前記ガス燃料供給手段は、前記燃焼室の側部に配置されたガス噴射弁であり、このガス噴射弁は、その配置側と反対側の前記燃焼室側部に向けて前記ガス燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項５】
前記ガス燃料供給手段は、前記燃焼室の上面中心部に配置されたガス噴射弁であり、このガス噴射弁は、前記燃焼室内にて円錐状に前記ガス燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項６】
前記ガス燃料供給手段は、前記燃焼室の上面中心部に配置されたガス噴射弁であり、このガス噴射弁は、ピストン冠面のキャビティに向けて前記ガス燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項７】
前記ガス燃料供給手段は、前記燃焼室の上面中心部に配置された第１のガス噴射弁と第２のガス噴射弁とにより構成され、前記第１のガス噴射弁がピストン冠面のキャビティに向けて前記ガス燃料を噴射し、前記予混合気と前記ガス燃料の噴霧とが混合した混合気塊を形成した後、前記第２のガス噴射弁が前記燃焼室内にて放射状に前記ガス燃料を噴射して放射状の噴霧を形成し、前記混合気塊を前記点火手段により点火燃焼させ、この燃焼にて生じる火炎により前記放射状の噴霧に着火させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項８】
前記ガス燃料は、前記予混合気と比して、燃焼速度の大きいガス燃料であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項９】
前記ガス燃料は、外部より供給された炭化水素燃料を改質反応により燃料改質したときに生成されるガス燃料であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記ガス燃料を生成する前記改質反応は、前記内燃機関の排気熱を利用することを特徴とする請求項９記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記ガス燃料を生成する前記改質反応は、脱水素反応であることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】
前記ガス燃料を生成する前記改質反応は、部分酸化反応であることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１３】
前記ガス燃料は、水素であることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記ガス燃料は、酸化剤を含む混合気であることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項１５】
機関負荷が低下するほど、前記予混合気を希薄化すると共に、前記ガス燃料の供給割合を増加させるように制御を行う燃料供給制御手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項１６】
前記予混合気形成手段に供給される燃料は、自着火性の高い炭化水素燃料と、自着火性の低い炭化水素燃料とであり、機関負荷が低下するほど、前記自着火性の高い炭化水素燃料の供給割合を増加させると共に、前記自着火性の低い炭化水素燃料の供給割合を減少させるように制御を行う予混合気燃料供給制御手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれか１つに記載の内燃機関。
【請求項１７】
前記自着火性の低い炭化水素燃料は、外部より供給された炭化水素燃料を改質反応により燃料改質したときに生成される燃料であることを特徴とする請求項１６記載の内燃機関。
【請求項１８】
前記自着火性の低い炭化水素燃料を生成する前記改質反応は、前記内燃機関の排気熱を利用することを特徴とする請求項１７記載の内燃機関。
【請求項１９】
前記自着火性の低い炭化水素燃料を生成する前記改質反応は、脱水素環化反応であることを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載の内燃機関。
【請求項２０】
前記自着火性の高い炭化水素燃料は、外部より供給された炭化水素燃料を分離膜により分離したときに得られる燃料であることを特徴とする請求項１６〜請求項１９のいずれか１つに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に形成された燃料と空気との予混合気を点火燃焼させる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、火花点火式内燃機関においては、燃料と空気との混合気を希薄化することで熱効率の向上及び排気ガス中に含まれる大気汚染物質の低減が可能なことが知られている。しかし、希薄混合気による火花点火燃焼において、不安定燃焼が発生する場合がある。この不完全燃焼を抑制し、混合気の希薄燃焼限界を拡大するために、数多くの技術開発がなされてきている。その中でも特に近年では、予め燃料と空気とを混合した希薄な混合気（希薄予混合気）をピストン圧縮により自着火燃焼させる予混合圧縮着火燃焼に関する技術の進歩が著しい。
【０００３】
ところが、予混合圧縮着火燃焼において、圧縮上死点近傍での確実な着火の制御、急峻な熱発生に起因する燃焼騒音の抑制、ノッキングの回避など、実用化への技術課題は依然として多い。
【０００４】
また、希薄混合気の燃焼を実現する手段として、希薄混合気中に水素を添加する手法（水素添加燃焼）が知られている。この手法は、一般的な炭化水素燃料と空気とを混合した希薄混合気中に火炎伝播速度が大きい水素燃料を添加することで、希薄燃焼限界を拡大するものである。
【０００５】
そこで、上述した予混合圧縮着火燃焼の問題点を補うべく、予混合圧縮着火燃焼と水素添加燃焼とを組み合わせた技術として、特許文献１に記載のものがある。特許文献１では、内燃機関の燃焼室内に第１の燃料と空気とによる希薄予混合気（第１の混合気）を形成して圧縮すると共に、第２の燃料（水素）を燃焼室内の一部領域（点火プラグ周辺）に供給して成層化した第２の混合気を形成し、この第２の混合気を点火燃焼させることにより燃焼室内の圧力を上昇させ、希薄予混合気（第１の混合気）を圧縮自着火させている。
【特許文献１】特開２００４−０３６５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の内燃機関においては、第１の燃料による予混合気は圧縮自着火による燃焼形態となっており、予混合圧縮着火燃焼の本質的課題である急峻な熱発生に起因する燃焼騒音の抑制、ノッキング回避などを根本的に解決するものではない。
【０００７】
本発明は上記に鑑みなされたものであり、燃焼室内の多点にて希薄予混合気を着火させることにより、急峻で局所的な熱発生を抑制し、高効率かつ低エミッションな内燃機関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】
【０００８】
そのため本発明では、燃焼室内に燃料と空気との予混合気を形成する予混合気形成手段と、燃焼室内にガス燃料を直接噴射するガス燃料供給手段と、ガス燃料に点火可能な点火手段とを備える。また、ガス燃料供給手段は、圧縮上死点近傍にて予混合気中にガス燃料を噴射すると共に、ガス燃料の噴霧が点火手段の点火位置を通過して燃焼室内に拡散するように配置する。更に、点火手段は、ガス燃料の噴霧に直接点火するようにし、ガス燃料の噴霧の流れに沿って火炎を伝播させることで、予混合気を着火燃焼させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガス燃料の燃焼による火炎がガス燃料の噴霧に沿って拡大するので、燃焼室内の多点にて予混合気を着火させることができる。また、ガス燃料の噴霧が燃焼室内に強い乱流を生じさせ、ガス燃料の燃焼による火炎と未燃予混合気との混合が促進されるので、希薄な予混合気を確実に燃焼させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態におけるエンジン（内燃機関）の構成図である。
【００１２】
エンジン１０には、シリンダヘッド１１、シリンダブロック１２、ピストン１３により燃焼室１４が形成されている。
【００１３】
燃焼室１４は、吸気弁１５を介して吸気通路である吸気ポート１６から吸気が供給可能になっている一方、排気弁１７を介して排気通路である排気ポート１８へ排気を排出可能になっている。尚、吸気通路の途中にマニホールド部（吸気マニホールド）１９が備えられている。更に吸気通路には、マニホールド部１９の上流にスロットル弁２０が備えられている。このスロットル弁２０の作動軸はステップモータ２１の出力軸と接続しており、後述するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２５より出力された命令信号に応じてステップモータ２１の出力軸が回転し、スロットル弁２０を作動させる。
【００１４】
吸気ポート１６には、予混合気形成手段として、燃料噴射弁３１が備えられている。この燃料噴射弁３１には、燃料タンク３２に貯留されている液体燃料Ｆ１が燃料ポンプ３３を介して供給される。この液体燃料Ｆ１は、燃料噴射弁３１により、例えば排気行程にて吸気ポート１６内に噴射され、吸気行程にて燃焼室１４内に、液体燃料Ｆ１と空気とによる予混合気を形成する。尚、本実施形態において、燃料タンク３２に貯留されている液体燃料Ｆ１はガソリンとするが、これに限定するものではない。
【００１５】
燃焼室１４の吸気側側部には、ガス燃料供給手段であるガス噴射弁３５が備えられている。このガス噴射弁３５には、高圧のガスボンベ３６に貯蔵されているガス燃料Ｆ２がガス燃料ポンプ３７を介して供給される。尚、ガスボンベ３６に貯蔵されているガス燃料Ｆ２とは、燃焼室１４内に形成された予混合気と比して燃焼速度の大きいガス燃料であり、本実施形態においては、水素、アセチレン、エチレンなどを用いる。特に水素は点火が容易なガス燃料であり、噴霧内にて点火を行うのに適している。また、水素は、予混合気と比して、燃焼速度が大きく、かつ、希薄燃焼限界も大きいので、ガス燃料Ｆ２の噴霧内にて消炎せずに火炎を維持することが可能である。また、ガス燃料Ｆ２に酸化剤として酸素を混合させ、この混合気をガス噴射弁３５に供給してもよい。
【００１６】
燃焼室１４の上面中央部よりガス噴射弁３５の設置側に、ガス噴射弁３５より噴射されたガス燃料Ｆ２の噴霧に点火可能な点火手段である点火プラグ３８が備えられている。尚、燃焼室１４内にてガス燃料Ｆ２の噴霧に点火可能な点火手段であれば、点火プラグ３８の他に、グローランプ、レーザー点火装置などを用いてもよい。
【００１７】
ＥＣＵ２５には、クランク角センサ４１、冷却水温センサ４２、アクセルセンサ４３などの信号が入力され、それらを基にスロットル弁２０、燃料噴射弁３１、ガス噴射弁３５、点火プラグ３８などの制御を行う。
【００１８】
図２は、本実施形態における燃焼室内の希薄予混合気の燃焼形態の詳細を示す図である。
【００１９】
ガス噴射弁３５は燃焼室１４の吸気側側部に配置され、ガス噴射弁３５の配置側と反対側の燃焼室１４の側部へ向けて水平にガス燃料Ｆ２を噴射する。また、点火プラグ３８は、その点火位置（点火ギャップ）が、ガス噴射弁３５により噴射されたガス燃料Ｆ２の噴霧中に位置し、かつ、ガス噴射弁３５の噴孔とガス燃料Ｆ２の噴霧の最終到達点（ガス噴射弁３５の配置側と反対側の燃焼室１４の側部）との中間よりガス噴射弁３５の配置側に位置するように備えられている。
【００２０】
圧縮行程終盤（圧縮上死点近傍）にて、予め燃焼室１４内に形成された液体燃料Ｆ１と空気との希薄予混合気中に、ガス噴射弁３５よりガス燃料Ｆ２が噴射される。噴射されたガス燃料Ｆ２の噴霧の先端部が点火プラグ３８の点火位置（点火ギャップ）を通過した後であり、かつ、ガス噴射弁３５がガス燃料Ｆ２を噴射する期間の中間よりも後に、点火プラグ３８はガス燃料Ｆ２の噴霧に点火を行う。この火花点火により発生した火炎は、ガス燃料Ｆ２の噴霧の流れに沿って拡大する。このとき、ガス燃料Ｆ２の噴霧内の乱流が強化されるため、火炎は迅速にガス燃料Ｆ２の噴霧の先端部に向かって拡大していく。そして、燃焼室１４内に拡散したガス燃料Ｆ２の噴流火炎は、燃焼室１４内に予め形成されている希薄予混合気を火炎伝播により燃焼させると共に、乱流混合により希薄予混合気の燃焼を促進する。
【００２１】
また本実施形態において、燃焼室１４内でのガス燃料Ｆ２の燃焼時期は、ガス噴射弁３５の燃料噴射時期（燃料噴射開始時期，燃料噴射終了時期）及び点火プラグ３８の点火時期により制御を行うことが可能である。また、ガス燃料Ｆ２の燃焼熱を発生させる期間は、ガス噴射弁３５の燃料噴射量によって制御することが可能である。従って、熱効率、エミッション、騒音、振動などの要素を加味して、ガス噴射弁３５の燃料噴射時期及び燃料噴射量と、点火プラグ３８の点火時期とを設定し、これら設定値を予めＥＣＵ２５に記憶させ、エンジン１０の運転状態（機関負荷、機関回転速度など）に応じた前記設定値を参照して、ガス噴射弁３５の燃料噴射時期及び燃料噴射量と、点火プラグ３８の点火時期とを制御することにより、希薄予混合気燃焼時の熱発生の時期及び速度を適切に制御することが可能である。
【００２２】
図３は、本実施形態における燃焼室内の混合気の燃焼モード切替を示す図である。
【００２３】
本実施形態において、エンジン１０が低負荷かつ低回転速度である場合は希薄燃焼運転領域とし、上述のように、ガス燃料Ｆ２を用いて希薄予混合気を着火燃焼させる。これにより、熱効率の向上とエミッションの低減とを実現することが可能である。また、エンジン１０が高負荷又は高回転速度である場合はストイキ燃焼運転領域とし、液体燃料Ｆ１と空気とによる混合気のみを燃焼室１４内に供給し、この混合気に直接火花点火を行ってストイキ燃焼させる。これにより、出力の向上を実現することが可能である。
【００２４】
本実施形態によれば、ガス燃料Ｆ２の噴霧は、点火手段（点火プラグ３８）の点火位置を通過して燃焼室１４内へと拡散されるため、ガス燃料Ｆ２の噴霧が燃焼室１４内に強い乱流を生じさせ、ガス燃料Ｆ２の燃焼による火炎と未燃希薄予混合気との混合が促進されるので、希薄予混合気を確実に燃焼させることができる。
【００２５】
また本実施形態によれば、ガス燃料Ｆ２の燃焼による火炎がガス燃料Ｆ２の噴霧に沿って拡大するので、燃焼室１４内の多点にて希薄予混合気を着火することができる。
【００２６】
また本実施形態によれば、ガス燃料Ｆ２は気化された状態で燃焼室１４内に噴射されるので、液体燃料を燃焼室１４内に直接噴射した場合に液体燃料の気化不足により発生する点火手段（点火プラグ３８）でのくすぶりやスモークを回避することができる。
【００２７】
また本実施形態によれば、点火手段（点火プラグ３８）の点火位置は、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）の噴孔とガス燃料Ｆ２の噴霧の最終到達点との中間よりガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）の配置側に備えられているので、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）より噴射されたガス燃料Ｆ２の噴霧が点火位置よりも下流側に飛散する空間を確保されることになり、ガス燃料Ｆ２の噴霧による乱流強化作用を点火位置より下流側においても有効に活用することができるため、希薄予混合気を多点で着火燃焼させることができる。
【００２８】
また本実施形態によれば、点火手段（点火プラグ３８）は、ガス燃料Ｆ２の噴霧の先端部が点火手段（点火プラグ３８）の点火位置を通過した後であり、かつ、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）がガス燃料Ｆ２を噴射する期間の中間よりも後に、ガス燃料Ｆ２の噴霧に点火を行うため、燃焼室１４内にガス燃料Ｆ２の噴霧により十分な乱流場が形成された後にガス燃料Ｆ２の噴霧に点火を行うことになるので、ガス燃料Ｆ２の噴霧に沿った火炎の拡散を促進し、より確実に希薄予混合気を燃焼させることができる。
【００２９】
また本実施形態によれば、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）は、燃焼室１４の側部に配置され、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）の配置側と反対側の燃焼室１４の側部へ向けてガス燃料Ｆ２を噴射するので、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）を燃焼室１４の上面中央部に配置する場合と比して、容易にガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）を設置することができる。
【００３０】
また本実施形態によれば、ガス燃料Ｆ２は、予混合気と比して、燃焼速度の大きいガス燃料（水素、アセチレン、アセチレンなど）であるので、点火手段（点火プラグ３８）によりガス燃料Ｆ２の噴流中にてガス燃料Ｆ２を確実に点火燃焼させることができる。また、この点火燃焼により生じる火炎をガス燃料Ｆ２の噴霧に沿って迅速に拡大させることができるので、希薄予混合気の不完全燃焼の発生を抑制し、希薄燃焼限界の拡大を実現することができる。
【００３１】
また本実施形態によれば、ガス燃料Ｆ２は、酸化剤（酸素など）を含む混合気とすることにより、ガス燃料Ｆ２の噴霧内にて燃料分が過濃状態となった場合に、酸素不足による不安定燃焼を抑制することができると共に、ガス燃料Ｆ２の噴霧に沿った火炎の拡大を促進することができる。
【００３２】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３３】
図４は、本発明の第２の実施形態におけるエンジン（内燃機関）の構成図である。
【００３４】
図１にて示した第１の実施形態との相違点について説明する。
【００３５】
図４において、吸気ポート１６には、予混合気形成手段として第１の燃料噴射弁５１ａ及び第２の燃料噴射弁５１ｂが備えられている。第１の燃料噴射弁５１ａには、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３が、後述する燃料分離装置６１より燃料ポンプ６２を介して供給される。第２の燃料噴射弁５１ｂには、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４が、後述する燃料改質装置６３より燃料ポンプ６４を介して供給される。尚、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３とは、芳香族炭化水素、イソパラフィン、オレフィンなどに富んだ炭化水素燃料であり、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４とは、ノルマルパラフィンなどに富んだ炭化水素燃料である。
【００３６】
燃焼室１４の上面中央部には、ガス燃料供給手段として、燃焼室１４内に円錐状にガス燃料Ｆ５を噴射するガス噴射弁３５が備えられている。このガス噴射弁３５には、ガス燃料Ｆ５が、後述する燃料改質装置６３より、ガス燃料ポンプ６５を介して供給される。
【００３７】
また、燃焼室１４の上面において、燃焼室１４の上面中央部に設置されたガス噴射弁３５の噴孔と、燃焼室１４の側部（ガス燃料Ｆ５の噴霧の最終到達点）との中間よりガス噴射弁３５の設置側に、ガス噴射弁３５より噴射されたガス燃料Ｆ５の噴霧に点火可能な点火プラグ３８が備えられている。
【００３８】
外部から供給された炭化水素燃料は、この燃料を貯留する燃料タンク３２より低圧燃料ポンプ６６を介して燃料分離装置６１へと送られる。燃料分離装置６１において、燃料中のノルマルパラフィンが、燃料分離装置６１内の分離膜により分離され、燃料ポンプ（図示せず）を介して、燃料改質装置６３へと送られる。尚、燃料改質装置６３は、エンジン１０の排気熱を受熱可能な構成となっている。燃料分離装置６１にて分離されたノルマルパラフィンの一部は、燃料改質装置６３にて、触媒（白金系触媒など）を利用した脱水素反応（改質反応）により、水素（ガス燃料Ｆ５）と、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３とに変換される。この反応例として、ノルマルヘプタン（Ｃ７Ｈ１６）を燃料改質装置６３にて脱水素環化反応により燃料改質を行うときは、以下の化学反応式となる。
【００３９】
Ｃ７Ｈ１６（ノルマルヘプタン）→Ｃ７Ｈ８（トルエン）＋４Ｈ２
尚、脱水素環化反応は、吸熱反応である。
【００４０】
燃料改質装置６３にて生成された水素（ガス燃料Ｆ５）は、ガス燃料ポンプ６５によりガス噴射弁３５へと供給される。燃料改質装置６３にて生成された自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３は、燃料ポンプ（図示せず）を介して、燃料分離装置６１へと戻され、燃料分離装置６１内の分離膜にてノルマルパラフィンを分離した後の残留分と共に、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３として、燃料ポンプ６２を介して、第１の燃料噴射弁５１ａへと供給される。また、燃料改質装置６３において、改質反応に供されないノルマルパラフィンは、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４として、燃料ポンプ６４を介して、第２の燃料噴射弁５１ｂへと供給される。
【００４１】
尚、本実施形態において、燃料分離装置６１にて分離されたノルマルパラフィンの一部は、燃料改質装置６３にて、触媒（ロジウム系触媒など）を利用した部分酸化反応（改質反応）により、水素（ガス燃料Ｆ５）を生成してもよい。この反応例として、ノルマルヘプタン（Ｃ７Ｈ１６）を燃料改質装置６３にて部分酸化反応により燃料改質を行うときは、以下の化学反応式となる。
【００４２】
Ｃ７Ｈ１６（ノルマルヘプタン）＋３．５Ｏ２→７ＣＯ＋８Ｈ２
尚、部分酸化反応は、発熱反応である。
【００４３】
燃料改質装置６３にて生成された水素（ガス燃料Ｆ５）は、ガス燃料ポンプ６５によりガス噴射弁３５へと供給される。また、燃料改質装置６３において、改質反応に供されないノルマルパラフィンは、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４として、燃料ポンプ６４を介して、第２の燃料噴射弁５１ｂへと供給される。
【００４４】
図５は、本実施形態における燃焼室内の希薄予混合気の燃焼形態の詳細を示す図である。
【００４５】
ガス噴射弁３５は燃焼室１４の上面中央部に配置され、燃焼室１４内に円錐状（中空円錐状）にガス燃料Ｆ５を噴射する。また、点火プラグ３８は、その点火位置（点火ギャップ）が、ガス噴射弁３５により噴射されたガス燃料Ｆ５の噴霧中に位置し、かつ、ガス噴射弁３５の噴孔とガス燃料Ｆ５の噴霧の最終到達点（燃焼室１４の側部）との中間よりガス噴射弁３５の配置側に位置するように備えられている。
【００４６】
自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３と、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４と、空気とにより、予め燃焼室１４内に形成された希薄予混合気中に、圧縮行程終盤（圧縮上死点近傍）にて、ガス噴射弁３５よりガス燃料Ｆ５が噴射される。噴射されたガス燃料Ｆ５の噴霧の先端部が点火プラグ３８の点火位置（点火ギャップ）を通過した後であり、かつ、ガス噴射弁３５がガス燃料Ｆ５を噴射する期間の中間よりも後に、点火プラグ３８はガス燃料Ｆ５の噴霧に点火を行う。この火花点火により発生した火炎は、ガス燃料Ｆ５の噴霧の流れに沿って拡大する。このとき、ガス燃料Ｆ５の噴霧内の乱流が強化されるため、火炎は迅速にガス燃料Ｆ５の噴霧の先端部に向かって拡大していく。そして、燃焼室１４内に拡散したガス燃料Ｆ５の噴流火炎は、燃焼室１４内に予め形成されている希薄予混合気を火炎伝播により燃焼させると共に、乱流混合により希薄予混合気の燃焼を促進する。また、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４の存在により、燃焼室１４内にて局所的に自着火燃焼を誘発する。従って、燃焼室１４内の広範囲にわたり希薄予混合気を良好に燃焼させることが可能となる。
【００４７】
尚、本実施形態において、図５にて示した希薄予混合気の燃焼形態の他に、図６に示す希薄予混合気の燃焼形態を用いてもよい。
【００４８】
図６において、ガス噴射弁３５は単噴孔であり、ピストン１３の冠面の中心部に向けて、ガス燃料Ｆ５を噴射する。尚、ピストン１３の冠面には、その中心部に凹状のキャビティ１３ａを有している。ガス噴射弁３５より噴射されたガス燃料Ｆ５の噴霧は、キャビティ１３ａに衝突し、キャビティ１３ａの底面に沿って拡散し、キャビティ１３ａの周壁面に沿って、燃焼室１４側へと巻き上がる。また、点火プラグ３８は、その点火位置（点火ギャップ）が、ガス噴射弁３５により噴射されたガス燃料Ｆ５の噴霧中に位置し、かつ、ガス噴射弁３５の噴孔とガス燃料Ｆ５の噴霧の最終到達点（圧縮上死点におけるキャビティ１３ａの底面）との中間よりガス噴射弁３５の配置側に位置するように備えられている。
【００４９】
図７は、本実施形態における希薄燃焼運転領域（リーン）での機関負荷と空気過剰率又は燃料供給割合との関係を示す図である。
【００５０】
図７（ａ）は、希薄燃焼運転領域（リーン）における機関負荷と空気過剰率との関係を示している。
【００５１】
ＥＣＵ２５に備えられた燃料供給制御手段は、機関負荷が低下するほど、空気過剰率が増加するようにスロットル弁２０、第１の燃料噴射弁５１ａ、第２の燃料噴射弁５１ｂ及びガス噴射弁３５を制御する。これにより、燃焼室１４内に形成される予混合気は、機関負荷が低下するほど、希薄化される。
【００５２】
図７（ｂ）は、希薄燃焼運転領域（リーン）における機関負荷と燃料供給割合との関係を示している。
【００５３】
ＥＣＵ２５に備えられた予混合気燃料供給制御手段は、機関負荷が低下するほど、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３の燃料供給割合を減少させ、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４の燃料供給割合を増加させるように、第１の燃料噴射弁５１ａ及び第２の燃料噴射弁５１ｂを制御する。これにより、機関負荷が低下するほど、燃焼室１４内に形成される予混合気の自着火性は増大する。
【００５４】
また、ＥＣＵ２５に備えられた燃料供給制御手段は、機関負荷が低下するほど、ガス燃料Ｆ５の燃料供給割合が増加するように、ガス噴射弁３５を制御する。これにより、機関負荷が低下するほど、ガス燃料Ｆ５による噴霧火炎を強化して、予混合気の燃焼促進効果を高め、確実に予混合気を燃焼させることが可能である。
【００５５】
図８は、本実施形態における燃料供給制御のフローを示す図である。
【００５６】
ＥＣＵ２５はＳ１０２にて、クランク角センサ４１、冷却水温センサ４２、アクセルセンサ４３などの各種センサより出力される信号を読み取り、ステップＳ１０３にて機関負荷、機関回転速度などの運転状態を判断する。この判断結果を基に、ステップＳ１０４にて、上述した図３を用いて、燃焼室１４内の混合気の燃焼モードを判定する。具体的には、低負荷かつ低回転速度であれば、希薄燃料運転領域（リーン）とし、高負荷又は高回転速度であれば、ストイキ燃焼運転領域（ストイキ）とする。
【００５７】
ステップＳ１０４にて「リーン」と判定された場合は、ステップＳ１０５に進み、予めＥＣＵ２５に記憶された「リーン用Ｆ３噴射テーブル」を参照して、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３を噴射する燃料噴射弁５１ａの燃料噴射時期や燃料噴射量などを決定する。次に、ステップＳ１０６に進み、予めＥＣＵ２５に記憶された「リーン用Ｆ４噴射テーブル」を参照して、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４を噴射する燃料噴射弁５１ｂの燃料噴射時期や燃料噴射量などを決定する。次に、ステップＳ１０７に進み、予めＥＣＵ２５に記憶された「リーン用Ｆ５噴射テーブル」を参照して、ガス燃料Ｆ５を噴射するガス噴射弁３５のガス燃料噴射時期やガス燃料噴射量などを決定し、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、ステップＳ１０５、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７での決定結果を基に、ＥＣＵ２５に備えられた燃料供給制御手段及び予混合気燃料供給制御手段により、エンジン１０に供給する各燃料の供給時期及び供給量を制御する。
【００５８】
ステップＳ１０４にて「ストイキ」と判定された場合は、ステップＳ１１５に進み、予めＥＣＵ２５に記憶された「ストイキ用Ｆ３噴射テーブル」を参照して、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３を噴射する燃料噴射弁５１ａの燃料噴射時期や燃料噴射量を決定する。この後、ステップＳ１１０に進み、ステップＳ１１５での決定結果を基に、ＥＣＵ２５に備えられた燃料供給制御手段及び予混合気燃料供給制御手段により、エンジン１０に供給する燃料（自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３のみ）の供給時期及び供給量を制御する。
【００５９】
特に本実施形態によれば、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）は燃焼室１４の上面中心部に配置され、燃焼室１４内にて円錐状にガス燃料Ｆ５を噴射するため、ガス燃料Ｆ５の噴霧が燃焼室１４内にて偏りなく拡散されるので、燃焼室１４内での局所的な未燃炭化水素の発生を抑制することができる。
【００６０】
また本実施形態によれば、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）は単噴孔であり、燃焼室１４の上面中心部に配置され、ピストン１３の冠面のキャビティ１３ａに向けてガス燃料Ｆ５を噴射するため、燃焼室１４内に円錐状にガス燃料Ｆ５を噴射する場合よりも簡単な構成のガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）を用いることができるので、より容易に燃焼室１４内での局所的な未燃炭化水素の発生を抑制することができる。
【００６１】
また本実施形態によれば、ガス燃料Ｆ５は、外部より供給された炭化水素燃料を改質反応により燃料改質したときに生成されるガス燃料であるので、外部から供給する燃料を１種類とすることができる。また、ガス燃料Ｆ５を貯蔵するためのガスボンベなどを別途備える必要がないので、このガスボンベを備える場合と比して、燃料供給系を小型化することができる。
【００６２】
また本実施形態によれば、ガス燃料Ｆ５を生成する改質反応は、内燃機関（エンジン１０）の排気熱を利用するので、排気熱によるエネルギーロスを抑制し、熱効率を向上させることができる。
【００６３】
また本実施形態によれば、ガス燃料Ｆ５を生成する改質反応は、脱水素反応であることにより、部分酸化反応と比して、純度の高い水素ガスを得ることができる。このため、部分酸化反応の場合と比して、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）より噴射する燃料噴射量を少なくすることができるので、燃料供給系を小型化することができる。
【００６４】
また本実施形態によれば、ガス燃料Ｆ５を生成する改質反応は、部分酸化反応（発熱反応）であることにより、脱水素反応（吸熱反応）の場合と比して、改質反応を行う際に供給する熱量を少なくすることができる。
【００６５】
また本実施形態によれば、予混合気形成手段には、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３が供給されるので、急峻な燃焼によるノッキングなどの発生を抑制することができる。
【００６６】
また本実施形態によれば、予混合気形成手段には、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４が供給されるので、予混合気が十分希薄である低負荷において、ガス燃料Ｆ５の噴霧による燃焼促進効果に加えて、予混合気の自着火による燃焼促進効果が得られ、希薄燃焼限界を拡大することができる。
【００６７】
また本実施形態によれば、内燃機関（エンジン１０）の負荷が低下するほど、予混合気形成手段により燃焼室１４内に形成される予混合気を希薄化すると共に、ガス燃料供給手段（ガス噴射弁３５）により燃焼室１４内に供給するガス燃料Ｆ５の供給量を増加させるように制御を行う燃料供給制御手段をＥＣＵ２５に備えているので、低負荷において、希薄予混合気に対してガス燃料Ｆ５の噴霧による燃焼促進効果を拡大し、希薄予混合気の不安定燃焼を抑制することができる。また、高負荷において、予混合気が過濃状態（リッチ）である場合には、ガス燃料Ｆ５の供給量を減少させるので、ガス燃料Ｆ５の噴霧による燃焼促進効果を縮小し、熱発生速度が過大にならないように抑制することができ、この結果、騒音や振動などの発生を抑制することができる。
【００６８】
また本実施形態によれば、予混合気形成手段にて用いられる燃料は、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４と、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３とであり、内燃機関（エンジン１０）の負荷が低下するほど、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４の供給割合を増加させると共に、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３の供給割合を減少させるように制御を行う予混合気燃料供給制御手段をＥＣＵ２５に備えているので、低負荷のときには、希薄燃焼限界を拡大することができ、高負荷のときには、ノッキングの発生を抑制することができる。
【００６９】
また本実施形態によれば、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３は、外部より供給された炭化水素燃料を改質反応により燃料改質したときに生成される燃料であるため、炭化水素燃料Ｆ３を貯留するための燃料タンクなどを別途備える必要がないので、この燃料タンクを備える場合と比して、燃料供給系を小型化することができる。
【００７０】
また本実施形態によれば、自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３を生成する改質反応は、脱水素環化反応であるので、芳香族炭化水素に富んだ自着火性の低い燃料を生成することができると共に、水素ガス（ガス燃料Ｆ５）を生成することができる。
【００７１】
また本実施形態によれば、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４は、外部より供給された炭化水素燃料を分離膜により分離したときに得られる燃料であるため、炭化水素燃料Ｆ４を貯留するための燃料タンクなどを別途備える必要がないので、この燃料タンクを備える場合と比して、燃料供給系を小型化することができる。
【００７２】
次に本発明の第３の実施形態について説明する。
【００７３】
図９は、本発明の第３の実施形態におけるエンジン（内燃機関）の構成図である。
【００７４】
図４にて示した第２の実施形態との相違点について説明する。
【００７５】
図９において、燃焼室１４の上面中央部には、ガス燃料供給手段として、第１のガス噴射弁５５ａ及び第２のガス噴射弁５５ｂが備えられている。第１のガス噴射弁５５ａは単噴孔であり、ピストン１３の冠面の中心部に向けて、ガス燃料Ｆ５を噴射する。尚、ピストン１３の冠面には、その中心部に凹状のキャビティ（小ボウル）１３ｂを有している。また、第２のガス噴射弁５５ｂは、燃焼室１４内に向けて放射状にガス燃料Ｆ５を噴射する。本実施形態において、第１のガス噴射弁５５ａ及び第２のガス噴射弁５５ｂには、燃料改質装置６３よりガス燃料ポンプ６５を介してガス燃料Ｆ５が供給されるが、第１のガス噴射弁５５ａ及び第２のガス噴射弁５５ｂはそれぞれ独立して、ＥＣＵ２５に備えられた燃料供給制御手段により、燃料供給制御を行うことが可能である。
【００７６】
図１０は、本実施形態における燃焼室内の希薄予混合気の燃焼形態の詳細を示す図である。
【００７７】
自着火性の低い炭化水素燃料Ｆ３と、自着火性の高い炭化水素燃料Ｆ４と、空気とにより、予め燃焼室１４内に形成された希薄予混合気中に、圧縮行程終盤（圧縮上死点近傍）にて、第１のガス噴射弁５５ａより、ピストン１３の冠面の中心部に備えられた凹状のキャビティ（小ボウル）１３ｂに向けて、ガス燃料Ｆ５が噴射される。これにより、燃焼室１４内の第１のガス噴射弁５５ａとキャビティ（小ボウル）１３ｂと間に、希薄予混合気とガス燃料Ｆ５の噴霧とが混合した混合気塊が形成される。次に、第２の燃料噴射弁５５ｂから放射状に燃焼室１４内へとガス燃料Ｆ５が噴射される。このとき、放射上のガス燃料Ｆ５の噴霧は、混合気塊を貫いて形成される。また、点火プラグ３８は、その点火位置（点火ギャップ）が、混合気塊中に位置し、かつ、ガス噴射弁５５ａの噴孔と混合気塊の最終到達点（圧縮上死点におけるキャビティ（小ボウル）１３ｂの底面）との中間よりガス噴射弁５５ａの配置側に位置するように備えられており、混合気塊を点火燃焼させる。この点火燃焼による火炎は、放射状に形成されているガス燃料Ｆ５の噴霧にも拡大し、燃焼室１４内の広範囲にわたって、ガス燃料Ｆ５の噴霧火炎が形成される。
【００７８】
図１１は、本実施形態における機関負荷に対する圧縮比設定を示す図である。
【００７９】
本実施形態においては、エンジン１０の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構（図示せず）を有しており、この可変圧縮比機構を用い、機関負荷に応じて圧縮比を制御する圧縮比制御手段（図示せず）をＥＣＵ２５に備えている。この圧縮比制御手段は、図１１に示された機関負荷に対する圧縮比の設定値に基づいて、圧縮比の制御を行う。エンジン１０が低負荷であるときは、熱効率を向上するため、圧縮比を上げ、逆に、高負荷であるときには、ノッキング等の異常燃焼回避のため、圧縮比を下げる設定となっている。
【００８０】
図１２は、本実施形態における燃料供給制御のフローを示す図である。
【００８１】
図８にて示した第２の実施形態との相違点について説明する。
【００８２】
まず、図８のステップＳ１０７においては、予めＥＣＵ２５に記憶された「リーン用Ｆ５噴射テーブル」を参照して、ガス燃料Ｆ５を噴射するガス噴射弁３５の燃料噴射時期や燃料噴射量などを決定しているが、図１２のステップＳ１０７においては、予めＥＣＵ２５に記憶された「リーン用Ｆ５噴射テーブル」を参照して、ガス燃料Ｆ５を噴射する第１のガス噴射弁５５ａ及び第２のガス噴射弁５５ｂの燃料噴射時期や燃料噴射量などを決定している点が異なる。
【００８３】
また、図１２において、ステップＳ１１０にて燃料供給制御を行う前に、ステップＳ２０８にて圧縮比テーブルを読み込み、ステップＳ２０９にて圧縮比制御を行う点が、図８と異なっている。
【００８４】
ステップＳ２０８では、ステップＳ１０３にて判断された運転状態に基づき、圧縮比テーブル（図１１）を読み込み、ステップＳ２０９に進む。
【００８５】
ステップＳ２０９では、圧縮比制御手段により、圧縮比を制御した後、ステップＳ１１０に進み、図８と同様に燃料供給制御を行う。
【００８６】
特に本実施形態によれば、ガス燃料供給手段は、燃焼室１４の上面中心部に配置された第１のガス噴射弁５５ａと第２のガス噴射弁５５ｂとにより構成され、第１のガス噴射弁がピストン冠面のキャビティ（小ボウル）１３ｂに向けてガス燃料Ｆ５を噴射し、予混合気とガス燃料Ｆ５の噴霧とが混合した混合気塊を形成した後、第２のガス噴射弁が燃焼室１４内にて放射状にガス燃料Ｆ５を噴射して放射状のガス燃料Ｆ５の噴霧を形成し、混合気塊を点火手段（点火プラグ３８）により点火燃焼させ、この燃焼にて生じる火炎により放射状のガス燃料Ｆ５の噴霧に着火させるので、ガス燃料Ｆ５の噴霧が燃焼室１４内にて偏りなく拡散され、燃焼室１４内での局所的な未燃炭化水素の発生を抑制することができる。
【００８７】
尚、本発明において、燃焼室１４内の全体に形成された予混合気に限らず、燃焼室１４内の一部に形成された予混合気（すなわち成層化混合気）に対しても、本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】第１の実施形態におけるエンジン（内燃機関）の構成図
【図２】第１の実施形態における燃焼室内の希薄予混合気の燃焼形態の詳細を示す図
【図３】第１の実施形態における燃焼室内の混合気の燃焼モード切替を示す図
【図４】第２の実施形態におけるエンジン（内燃機関）の構成図
【図５】第２の実施形態における燃焼室内の希薄予混合気の燃焼形態の詳細を示す図
【図６】第２の実施形態における燃焼室内の希薄予混合気の燃焼形態の詳細を示す図
【図７】第２の実施形態における希薄燃焼運転領域（リーン）での機関負荷と空気過剰率又は燃料供給割合との関係を示す図
【図８】第２の実施形態における燃料供給制御のフローを示す図
【図９】第３の実施形態におけるエンジン（内燃機関）の構成図
【図１０】第３の実施形態における燃焼室内の希薄予混合気の燃焼形態の詳細を示す図
【図１１】第３の実施形態における機関負荷に対する圧縮比設定を示す図
【図１２】第３の実施形態における燃料供給制御のフローを示す図
【符号の説明】
【００８９】
１０  エンジン
１３  ピストン
１３ａ  キャビティ
１３ｂ  キャビティ（小ボウル）
１４  燃焼室
１５  吸気弁
１７  排気弁
２０  スロットル弁
２５  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
３１  燃料噴射弁
３２  燃料タンク
３５  ガス噴射弁
３６  ガスボンベ
３８  点火プラグ
５１ａ  第１の燃料噴射弁
５１ｂ  第２の燃料噴射弁
５５ａ  第１のガス噴射弁
５５ｂ  第２のガス噴射弁
６１  燃料分離装置
６３  燃料改質装置
【図１】
2008267267.tif 000003
【図２】
2008267267.tif 000004
【図３】
2008267267.tif 000005
【図４】
2008267267.tif 000006
【図５】
2008267267.tif 000007
【図６】
2008267267.tif 000008
【図７】
2008267267.tif 000009
【図８】
2008267267.tif 000010
【図９】
2008267267.tif 000011
【図１０】
2008267267.tif 000012
【図１１】
2008267267.tif 000013
【図１２】
2008267267.tif 000014