(57)【要約】【課題】水素等の物質を内燃機関の後期燃焼の改善に利用してノッキングの発生を抑制する。【解決手段】燃焼室５内に形成される燃料混合気の燃焼速度を上昇させる物質としての水素をガソリン燃料から燃料改質スタック２１を利用して取得する。燃料改質スタック２１から供給される水素を高圧ポンプ２４によって昇圧し、高圧水素噴射弁２５から水素通路２６及び噴孔２８を経て燃焼室５の火炎伝播経路の末端となるシリンダ内壁面２ｂに沿った領域に添加する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室にて形成される燃料混合気の燃焼速度を上昇させる物質の供給手段と、その供給手段から供給される物質を前記燃焼室の火炎伝播経路の末端となる領域に添加する添加手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼補助装置。
【請求項２】
シリンダの略中心線上に点火プラグが配置された内燃機関に適用される燃焼補助装置であって、燃焼室にて形成される燃料混合気の燃焼速度を上昇させる物質の供給手段と、その供給手段から供給される物質を前記燃焼室のシリンダ内壁面に沿った領域に添加する添加手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼補助装置。
【請求項３】
前記添加手段は、燃料混合気に乱流を生じさせる速度で前記物質を前記燃焼室内に添加することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼補助装置。
【請求項４】
前記添加手段は、内燃機関の吸気ポート及び排気ポートとは別に設けられて前記燃焼室に開口する噴孔から前記領域に前記物質を添加することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼補助装置。
【請求項５】
前記噴孔が複数設けられ、少なくとも一対の噴孔から互いに対向する向きに前記物質が添加されることを特徴とする請求項４に記載の燃焼補助装置。
【請求項６】
シリンダの中心線の方向に対して斜めに傾いた方向に沿って、前記噴孔からピストン側に前記物質が添加されることを特徴とする請求項４に記載の燃焼補助装置。
【請求項７】
前記噴孔が複数設けられ、各噴孔から前記物質が添加される方向が前記シリンダの中心線に対して同一の側に傾いていることを特徴とする請求項６に記載の燃焼補助装置。
【請求項８】
前記添加手段は前記内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に装着される噴孔形成部材を具備し、前記噴孔形成部材には前記シリンダ内壁面と略面一となる環状の内周面が形成され、前記噴孔は前記噴孔形成部材の前記内周面に開口するように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃焼補助装置。
【請求項９】
前記物質が水素であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃焼補助装置。
【請求項１０】
前記供給手段は、前記燃料混合気を構成する燃料を水素に改質する燃料改質スタックを備え、前記添加手段は、改質された水素を内燃機関から分配された動力を利用して昇圧するポンプと、昇圧された水素の前記燃料室内への噴射の実行及び停止を切り替える噴射弁装置とを備えていることを特徴とする請求項９に記載の燃焼補助装置。
【請求項１１】
前記内燃機関の運転状態に相関するパラメータに基づいて、前記内燃機関が予め定められたノッキング発生領域で運転されているか否かを判断し、前記ノッキング発生領域内で運転されているときは前記添加手段による前記物質の添加を許可し、前記ノッキング発生領域外で運転されているときは前記添加手段からの前記物質の添加を禁止する添加制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃焼補助装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に水素等の物質を添加して燃焼を改善する内燃機関の燃焼補助装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン燃料と空気とによって形成された燃料混合気に水素を添加することにより、着火性を向上させて燃料混合気のリーンリミットを向上させる技術が知られている。例えば特開平７−６３１２８号公報に記載された内燃機関では、点火プラグの周辺に水素を集中的に添加して着火性を向上させるとともに、ガソリンと空気との混合気については点火プラグから離れるほどリッチとなるように分布させて火炎の伝播性の向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の好ましくない運転状態の一つとしてノッキング現象が知られている。ノッキングは、燃焼によって発生する火炎がシリンダの周辺部まで伝播するよりも前にシリンダ周辺部にて燃料混合気が急激に圧縮されて自着火を起こす現象である。ノッキングの防止策としては、アンチノック性の高い、高オクタン価の燃料を使用すること、シリンダの内径を減少させること、シリンダ内の気流に乱れを生じさせて燃焼速度を上昇させること、燃料を筒内に直接噴射して吸気温度を低下させること等が知られている。
【０００４】
しかし、これらの方法はいずれも内燃機関の初期燃焼（着火からの燃焼の進行度が全体の燃焼期間のほぼ１０％程度に達するまでの期間）と、後期燃焼（燃焼の進行度が１０〜９０％の期間）の両者に等しく作用するため、ノッキングの根本的な解決策となっていない。ノッキングを解決するためには初期燃焼と後期燃焼との速度差を減少させる必要があり、そのためには初期燃焼の速度に対して後期燃焼の速度を相対的に向上させる必要がある。
【０００５】
上述した公報記載の内燃機関では、専ら初期燃焼の改善を目的として水素が添加されており、水素の添加はノッキングの解決に対して何ら寄与していない。また、シリンダの周辺部において燃料混合気をリッチ化しても後期燃焼の速度は何ら改善されず、むしろ、燃料混合気のリッチ化により自着火が生じ易くなり、ノッキング対策の点では却って不都合が生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、水素等の物質を後期燃焼の改善に利用してノッキングの発生を抑制できる内燃機関の燃焼補助装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の燃焼補助装置は、燃焼室にて形成される燃料混合気の燃焼速度を上昇させる物質の供給手段と、その供給手段から供給される物質を前記燃焼室の火炎伝播経路の末端となる領域に添加する添加手段とを備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００８】
この発明によれば、火炎伝播経路の末端となる領域への物質の添加によって当該領域における燃料混合気の燃焼速度が上昇し、それにより後期燃焼と初期燃焼との速度差が減少してノッキングの抑制効果が高まる。なお、この発明において、火炎伝播経路の末端となる領域とは、燃焼室内の着火点を基点として火炎が各方向に拡大する際に、その各方向における火炎の終着点となる領域を意味する。燃焼室内において着火点から最も離れた領域はその火炎伝播経路の末端となる領域の一つであるが、火炎の伝播方向が異なれば、着火点からの距離がより短い領域であっても火炎伝播経路の末端となる領域に該当することがある。
【０００９】
本発明の他の内燃機関の燃焼補助装置は、シリンダの略中心線上に点火プラグが配置された内燃機関に適用される燃焼補助装置であって、燃焼室にて形成される燃料混合気の燃焼速度を上昇させる物質の供給手段と、その供給手段から供給される物質を前記燃焼室のシリンダ内壁面に沿った領域に添加する添加手段とを備えることにより、上述した課題を解決する（請求項２）。
【００１０】
この発明によれば、点火プラグによる着火で発生した火炎がシリンダ内壁面に向かって伝播する一方で、シリンダ内壁面に沿った領域には燃焼速度を上昇させる物質が添加されるので、後期燃焼の速度が上昇し、それにより後期燃焼と初期燃焼との速度差が減少してノッキングの抑制効果が高まる。
【００１１】
本発明において、前記添加手段は、燃料混合気に乱流を生じさせる速度で前記物質を前記燃焼室内に添加してもよい（請求項３）。乱流の形成により燃焼が促進されて後期燃焼速度がさらに改善される。
【００１２】
前記添加手段は、内燃機関の吸気ポート及び排気ポートとは別に設けられて前記燃焼室に開口する噴孔から前記領域に前記物質を添加してもよい（請求項４）。これにより、吸気ポートや排気ポートの設計上の制約やそれらの開口時期の制約を受けることなく、最適な位置に噴孔を配置して最適なタイミングで物質を添加することができる。
【００１３】
前記噴孔は複数設けられ、少なくとも一対の噴孔から互いに対向する向きに前記物質が添加されてもよい（請求項５）。この場合には、噴孔から添加される物質の流れを互いに衝突させて燃焼室内の流れに乱れを生じさせることができる。
【００１４】
シリンダの中心線の方向に対して斜めに傾いた方向に沿って、前記噴孔からピストン側に前記物質が添加されてもよい（請求項６）。この場合には、噴孔から添加される物質がシリンダの中心線の回りに旋回することにより、燃焼室内にスワール流を形成することができる。さらに、前記噴孔を複数設け、各噴孔から前記物質が添加される方向が前記シリンダの中心線に対して同一の側に傾くようにした場合（請求項７）には、スワール流をより容易かつ明瞭に形成することができる。
【００１５】
本発明の燃焼補助装置において、前記添加手段は前記内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に装着される噴孔形成部材を具備し、前記噴孔形成部材には前記シリンダ内壁面と略面一となる環状の内周面が形成され、前記噴孔は前記噴孔形成部材の前記内周面に開口するように設けられてもよい（請求項８）。このような構成によれば、噴孔形成部材をシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に取り付けるだけで噴孔を設けることができる。
【００１６】
本発明の燃焼補助装置においては、前記物質として水素を好適に使用することができる（請求項９）。内燃機関で使用される液体燃料と比較して水素の燃焼速度は高く、その添加によって後期燃焼速度を効果的に高めることができる。
【００１７】
本発明の燃焼補助装置において、前記供給手段は、前記燃料混合気を構成する燃料を水素に改質する燃料改質スタックを備え、前記添加手段は、改質された水素を内燃機関から分配された動力を利用して昇圧するポンプと、昇圧された水素の前記燃料室内への噴射の実行及び停止を切り替える噴射弁装置とを備えてもよい（請求項１０）。このような構成によれば、燃焼混合気を形成するために用意されている燃料と内燃機関で発生する動力とを利用して水素を添加することができる。
【００１８】
本発明の燃焼補助装置において、前記内燃機関の運転状態に相関するパラメータに基づいて、前記内燃機関が予め定められたノッキング発生領域で運転されているか否かを判断し、前記ノッキング発生領域内で運転されているときは前記添加手段による前記物質の添加を許可し、前記ノッキング発生領域外で運転されているときは前記添加手段からの前記物質の添加を禁止する添加制御手段をさらに備えてもよい（請求項１１）。この場合には、ノッキングが発生するおそれのない運転状態のときまで物質が添加される無駄をなくすことができる。
【００１９】
本発明において、添加の用語は、内燃機関に主として加えられる燃料に対して物質が付け加えられることを意味し、物質を加える量、速度、圧力等の態様により、添加の範囲が限定されるものではない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の燃焼補助装置の一実施形態を示している。図１において、内燃機関１は自動車に搭載される筒内噴射式の４サイクルガソリンエンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関１のシリンダブロック２にはシリンダ２ａが形成され、そのシリンダ２ａと、これを閉じるシリンダヘッド３とシリンダ２ａに挿入されたピストン４とによって燃焼室５が形成される。シリンダヘッド３には、シリンダ２ａの略中心線ＣＬ上に位置させて点火プラグ６が取り付けられ、その点火プラグ６の左右に吸気ポート７及び排気ポート８が形成される。各ポート７，８は吸気バルブ９及び排気バルブ１０によって開閉される。吸気ポート７には不図示の燃料噴射弁からガソリン燃料が噴射される。燃料噴射弁からの燃料の噴射時期及び噴射量はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１にて制御される。ＥＣＵ１１はマイクロプロセッサ及びその主記憶装置としてのＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたコンピュータとして構成される。ここまでの構成は公知の内燃機関と同様であり、その細部は適宜に変更してよい。
【００２１】
内燃機関１には、燃焼室５に水素を添加する燃焼補助装置２０が装備されている。燃焼補助装置２０は、水素の供給手段としての燃料改質スタック２１と、水素の添加手段としての水素添加装置２２とを備えている。燃料改質スタック２１は、不図示の燃料タンクから取り出されたガソリン燃料を水素に改質して水素添加装置２２に供給する。改質のプロセスは周知であり説明を省略する。
【００２２】
水素添加装置２２は、供給された水素を昇圧する高圧ポンプ２４と、その高圧ポンプ２４から吐出される水素の噴射量を制御するための高圧水素噴射弁２５と、その高圧水素噴射弁２５から高圧水素通路２６を介して導かれる水素を燃焼室５内の所定領域に導くための噴射リング（噴孔形成部材）２７とを備えている。高圧ポンプ２４は、内燃機関１のクランク軸１２から動力伝達機構１３を介して伝達される動力によって駆動されて水素を所定の高圧（例えば５〜１０ＭＰａ程度）まで昇圧する。なお、動力伝達機構１３はベルト１４，１５によって動力を伝達するものとしたが、これに限らずギアその他の各種の動力伝達要素を使用してよい。高圧水素噴射弁２５は、吸気ポートに設けられる燃料噴射弁と同様に、ＥＣＵ１１から指示される駆動デューティーに従って駆動される。高圧水素噴射弁２５の制御については後述する。
【００２３】
図２にも示したように、噴射リング２７は半径方向の幅及び直径方向の厚さがそれぞれ一定の中空環状体に形成されている。噴射リング２７はシリンダブロック２とシリンダヘッド３との間に挟まれるようにしてシリンダブロック２のリング取付溝２ｃ（図１）に装着される。噴射リング２７の内周面２７ａ（図２）はシリンダ２ａの内壁面２ｂと略面一である。噴射リング２７にはその周方向に一定のピッチで複数（図では８個）の噴孔２８が形成されている。噴孔２８の一端は内周面２７ａに開口し、噴孔２８の他端はリング２７の外周に設けられた環状溝２９に通じている。噴射リング２７がシリンダブロック２のリング取付溝２ｃに取り付けられることにより環状溝２９はその外周側から閉じられるが、その取り付け状態で環状溝２９の一部は高圧水素通路２６に接続される。従って、高圧水素噴射弁２５から噴射された水素は高圧水素通路２６、環状溝２９及び噴孔２８を順に通過して燃焼室５内に導入される。
【００２４】
図２から明らかなように、噴孔２８はその軸線２８ａを噴射リング２７の半径方向に対していずれも同一の側に等しい角度だけ傾けて形成されている。これにより、各噴孔２８からは燃焼室５の半径方向及び接線方向に対して同一角度だけ斜めに傾いた方向に水素の噴流３０が噴射される。噴射リング２７の内周面２７ａと噴孔２８の軸線２８ａとの交点を通過する内周面２７ａの接線３１と噴孔２８の軸線２８ａとがなす角度θは好適には３０°以下に設定される。なお、シリンダ２ａの中心線の方向に関しては噴孔２８はその一端から他端まで同一の高さに形成されている。従って、各噴孔２８からはシリンダ２ａの中心線ＣＬの方向に関してはシリンダヘッド３又はピストン４のいずれの側にも偏ることなく水素が噴射される。
【００２５】
図１のＥＣＵ１１は、内燃機関１の運転中に図３の水素噴射制御ルーチンを一定の周期で繰り返し実行することにより、燃焼補助装置２０の添加制御手段として機能する。図３の水素噴射制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１１はまずステップＳ１で内燃機関１の運転状態を特定する。運転状態は、図１のアクセル開度センサ１６が検出するアクセル開度、クランク角センサ１７が検出するクランク角、不図示のエアフローメータが検出する吸入空気量等、内燃機関１の運転状態に相関して変化する様々なパラメータ（運転パラメータ）によって特定される。
【００２６】
次に、ステップＳ２では、内燃機関１の運転状態が予め定められたノッキング発生領域か否かを判断する。ノッキング発生領域は各種の運転パラメータと関連付けて設定してよい。例えば、図４（ａ）に示すように機関回転数及び機関出力と関連付けてノッキング発生領域を全負荷運転の高回転域に限定してもよいし、図４（ｂ）に示すように、機関回転数及び機関負荷と関連付けてノッキング発生領域を高回転かつ高負荷の領域に限定してもよい。いかなる運転状態をノッキング発生領域として定義するかは内燃機関１の実態に応じて適宜に調整してよいが、一般には高回転又は高負荷時である。ノッキング発生領域を定義する情報は例えばマップとして作成されてＥＣＵ１１のＲＯＭに記憶しておくことができる。なお、ノッキング発生領域を回転数や負荷が高い領域に制限するのは、水素の噴射中は高圧ポンプ２４によって機関出力の一部が消費されるので、ノッキングの発生が懸念される運転状態以外は水素の添加を中止して燃料消費率の低下等の不都合を回避するためである。
【００２７】
図３のステップＳ２でノッキング発生領域と判断したときはステップＳ３へ進み、クランク角センサ１７が検出するクランク角に基づいて水素噴射時期か否かを判断する。水素噴射時期は各燃焼室５における燃焼の進行状態と関連付けて定められるが、好適には点火プラグ６による着火の直前（クランク角にして点火時期よりも６０°〜０°早い時期）を噴射時期として設定する。噴射時期であればステップＳ４に進み、高圧水素噴射弁２５に対して所定量の水素が噴射されるよう駆動指令を与える。なお、この場合の所定量は一定量でもよいし、内燃機関１の運転状態に応じて水素の噴射量を変化させてもよい。高圧水素噴射弁２５に指示するデューティー比は噴射量に応じて調整される。一方、ステップＳ２でノッキング発生領域ではないと判断され、又はステップＳ３において水素噴射時期ではないと判断されたときはステップＳ５へ進み、高圧水素噴射弁２５からの水素の噴射を禁止する。ステップＳ４又はＳ５の処理により一回のルーチンを終了する。
【００２８】
図５は上記の処理により水素が噴射されたときの燃焼室５内の様子を模式的に示している。燃焼室５に添加された水素の噴流３０により、シリンダ内壁面２ｂには燃料混合気が乱されて高乱流域３３が形成される。この乱流域３３は火炎伝播経路の末端となる領域と一致する。高乱流域３３の形成と併行して点火プラグ６の近傍ではガソリン燃料と空気とによって形成された燃料混合気に着火される。着火によって発生した火炎３４はシリンダ内壁面２ｂに向かって拡大し、火炎面３４ａが高乱流域３３に達すると水素が燃焼を開始する。水素の添加によって生じた乱流が燃焼を促す効果と、水素自身が有するガソリン燃料よりも高い燃焼速度とが相俟って高乱流域３３における燃焼速度はガソリン燃料のみが使用される場合と比較して上昇する。このように、本実施形態では、点火プラグ６の近傍における燃焼には水素が関与せず、燃焼の後半において水素の添加による燃焼速度の改善効果が生じる。従って、初期燃焼と後期燃焼との速度差が減少し、ノッキングが効果的に抑制される。
【００２９】
以上の実施形態では水素を５ＭＰａ以上の高圧で噴射することにより高乱流域３３を形成したが、燃焼室５内に水素を添加するという目的を最低限でも達成するためには、水素の圧力はその添加時期における燃焼室５内の圧力よりも高圧であればよい。但し、燃焼室５内に明確な乱流を形成し得る速度を水素の噴流３０に与えることが望ましい。噴流３０の好ましい速度の範囲は内燃機関１で使用される燃料やその燃焼室５内における密度に応じて適宜に変化するが、一例として、５００ｃｃの水素を８〜１０ｍ秒の間で添加できる速度を与えることにより、乱流域が形成できた。
【００３０】
本発明は以上の実施形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。例えば、噴孔２８からの水素の噴射方向については、図６に示すように、隣接する一対の噴孔から互いに対向する向きに噴流３０，３０が形成されるようにしてもよい。この場合には噴流３０，３０の衝突によって乱流形成作用が促進される。
【００３１】
図７に示すように、シリンダ中心線ＣＬの方向に対して、ピストン側（図７において下側）に斜めに傾く方向に噴流３０を噴射してもよい。さらに、図７においては、各噴流３０が同一の側に傾けられている。これにより、図中に矢印で示したようにシリンダ２ａの周辺部で水素のスワール流３５が形成され、ガソリン燃料によって形成された燃料混合気３６が燃焼室５の上部中央、すなわち点火プラグ６の近傍に滞留してそのリーンリミットが向上する。この場合、燃料混合気３６それ自体のスワール流を形成する必要がないので、吸気のスワール流を形成するために吸気ポートに設けられるスワールコントロールバルブを省略して吸気抵抗を低減することができる。
【００３２】
以上の他にも噴孔については適宜に変更が可能である。例えば、火炎伝播経路の末端となる領域、又はシリンダ内壁面に沿った領域に対して水素を添加できる限りは、噴孔をシリンダヘッド側に設けてもよい。例えば図７の噴流３０を形成するためには噴射リング２７をシリンダヘッド３側に取り付けて噴射リング２７の下面から斜め下方に向かって水素を噴射させてもよい。
【００３３】
図１の実施形態は、ガソリン燃料を吸気ポート７に噴射する内燃機関１を例にしているが、本発明は図８に示したように燃料噴射弁４０からシリンダ２ａ内に直接燃料を噴射する、筒内噴射式の内燃機関１Ａに対しても適用可能である。筒内噴射式の内燃機関１Ａに本発明を適用した場合には、シリンダ内壁面２ｂが水素の噴流で覆われてシリンダ内壁面２ｂへの燃料噴霧の付着が防止され、それによりＨＣやスモークの発生が抑制される効果がある。特に均質燃焼時に水素を添加することが効果的である。なお、図８において図１との共通部分は同一符号を示し、その説明は省略する。
【００３４】
本発明において点火プラグ６は必ずしもシリンダ２ａの略中心線ＣＬ上に位置している必要はなく、シリンダ２ａの周辺にオフセットされた位置に点火プラグ６があってもよい。この場合でも、火炎伝播経路の末端となる領域に水素を添加することによりノッキングの発生を抑制することができる。
【００３５】
本発明において燃焼室に添加されるべき物質は水素に限定されず、後期燃焼の速度を向上させ得るものであれば適宜に使用してよい。但し、その物質は可燃物であることが好ましい。また、本発明はガソリンを主たる燃料とする内燃機関に限らず、他の燃料を使用する内燃機関にも適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、火炎伝播経路の末端となる領域、又はシリンダ内壁面に沿った領域への物質の添加によって当該領域における燃料混合気の燃焼速度を上昇させ、それにより後期燃焼と初期燃焼との速度差を減少させてノッキングの抑制効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼補助装置の一実施形態を示す図。
【図２】図１の燃焼補助装置で使用される噴射リングと点火プラグとの関係を示す平面図。
【図３】図１のＥＣＵが実行する水素噴射制御ルーチンを示すフローチャート。
【図４】ノッキング発生領域の設定例を示す図。
【図５】水素が噴射されたときの燃焼室内の様子を示す図。
【図６】水素の噴射方向の変形例を示す図。
【図７】水素の噴射方向の他の変形例を示す図。
【図８】筒内噴射式の内燃機関に本発明の燃焼補助装置を適用した実施形態を示す図。
【符号の説明】
１，１Ａ　内燃機関
２　シリンダブロック
２ａ　シリンダ
２ｂ　シリンダの内壁面
２ｃ　リング取付溝
３　シリンダヘッド
４　ピストン
５　燃焼室
６　点火プラグ
７　吸気ポート
８　排気ポート
１１　エンジンコントロールユニット（添加制御手段）
２０　燃焼補助装置
２１　燃料改質スタック（供給手段）
２２　水素添加装置（添加手段）
２４　高圧ポンプ
２５　高圧水素噴射弁
２６　高圧水素通路
２７　噴射リング（噴孔形成部材）
２８　噴孔
３０　水素の噴流
３３　高乱流域
３４　火炎
３５　スワール流
３６　燃料混合気
４０　燃料噴射弁
ＣＬ　シリンダの中心線
【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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