(57)【要約】【課題】可変動弁機構によって吸入空気量を調整する内燃機関において、部分負荷領域における燃焼安定性を維持しつつ、ポンピングロスを低減し、燃費性能を向上させる。【解決手段】制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態にあると判定した場合には、スロットルバルブ３１を全開すると共に、可変動弁機構２０を介して吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせる。制御ユニット４０は、燃料噴射弁ＩＪを介して排気行程途中に吸気ポート１６に対して燃料を噴射し、燃焼圧力センサ５０によって検出された燃焼圧力の変動に基づいて内燃機関１０の燃焼状態が安定していないと判定した場合には、吸気行程後半に、水素噴射弁ＨＩＪを介して吸気ポート１６に対して所定量の水素を噴射する。制御ユニット４０は、取得された運転状態に応じて点火時期を決定し、点火プラグ３０を介して火花点火を実行する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも吸気バルブの作動タイミングを変更可能な可変動弁機構を備える内燃機関であって、
前記内燃機関に対して主燃料を供給する主燃料供給手段と、
前記可変動弁機構によって前記吸気バルブの閉弁時期が早められた場合には、前記内燃機関に対して水素を供給する水素供給手段とを備える内燃機関。
【請求項２】
内燃機関であって、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記内燃機関に対して主燃料を供給する主燃料供給手段と、
前記内燃機関に吸入される吸入空気量を調整するための吸気制御バルブであって、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、部分負荷運転状態に対して設定された開度よりも開度が増大される吸気制御バルブと、
少なくとも吸気バルブの閉弁タイミングを変更可能な可変動弁機構であって、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記吸気バルブの閉弁時期を早める、または遅らせる可変動弁機構と、
前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記内燃機関に対して水素を供給する水素供給手段とを備える内燃機関。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関において、
前記水素供給手段は、前記可変動弁機構が前記吸気バルブの閉弁時期を遅らせた場合には、前記内燃機関に対して吸気行程後半に水素を供給する内燃機関。
【請求項４】
請求項２に記載の内燃機関はさらに、
１つ以上の気筒を備え、
前記水素供給手段は、前記気筒内に直接水素を供給するよう配置されていると共に、前記可変動弁機構によって前記吸気バルブの閉弁時期が遅らせられた場合には、前記内燃機関に対して圧縮行程において水素を供給する内燃機関。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の内燃機関はさらに、
前記吸気バルブを介して前記内燃機関へ吸入空気を導く吸気管を備え、
前記主燃料供給手段は、前記吸気管に対して排気行程において主燃料を供給する内燃機関。
【請求項６】
請求項２に記載の内燃機関において、
前記水素供給手段は、前記可変動弁機構によって前記吸気バルブの閉弁時期が早められた場合には、主燃料の供給時期に同期して前記内燃機関に対して水素を供給する内燃機関。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の内燃機関はさらに、
前記内燃機関における燃焼状態が安定しているか否かを判定する燃焼状態判定手段を備え、
前記水素供給手段は、前記内燃機関の燃焼状態が安定していると判定された場合には、前記内燃機関に対する水素の供給を行わない内燃機関。
【請求項８】
内燃機関であって、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記内燃機関に対して主燃料を供給する主燃料供給手段と、
前記内燃機関に対して吸入空気を導く吸気管と、
前記吸気管に配置されていると共に吸入空気量を調整するための吸気制御バルブと、
少なくとも吸気バルブの閉弁タイミングを変更可能な可変動弁機構と、
前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記吸気制御バルブおよび前記可変動弁機構を制御して、前記吸気管の負圧を０近傍にするポンピングロス低減手段と、
前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記内燃機関に対して水素を供給する水素供給手段とを備える内燃機関。
【請求項９】
少なくとも吸気バルブの作動タイミングを変更可能な可変動弁機構を備える内燃機関の燃焼制御方法であって、
前記内燃機関の運転状態を検出し、
前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出した場合には、
前記吸気バルブの閉弁時期を早め、
前記内燃機関に対して主燃料に加えて水素を供給する
燃焼制御方法。
【請求項１０】
内燃機関に吸入される吸入空気量を調整する吸気制御バルブおよび少なくとも吸気バルブの作動タイミングを変更可能な可変動弁機構を備える内燃機関の燃焼制御方法であって、
前記内燃機関の運転状態を検出し、
前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、
前記吸気制御バルブの開度を部分負荷運転状態に対して設定された開度よりも増大させ、
前記吸気バルブの閉弁時期を早める、または遅らせ、
前記内燃機関に対して主燃料に加えて水素を供給する燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変動弁機構を備える内燃機関においてポンピングロスを低減する内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、要求出力が小さく内燃機関に供給される燃料量も少ない部分負荷領域においてストイキ燃焼を実行するためには、少ない燃料量に合わせてスロットルバルブ（吸気制御バルブ）の開度を小さくして吸入空気量を減らす必要がある。スロットルバルブの開度が小さくなると、吸気抵抗が増大し（吸気管負圧が大きくなり）、いわゆるポンピングロスが発生する。
【０００３】
そこで、軽負荷領域（部分負荷領域）におけるポンピングロスを低減して、内燃機関の燃費向上を図る技術が種々実用化、提案されている。例えば、部分負荷領域においても、スロットルバルブ（吸気制御バルブ）の開度を小さくして吸気量を減らすことなく、可変動弁機構によって吸気バルブの閉弁時期を調整することで吸入空気量を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、内燃機関に供給される燃料量に見合う空気量よりも多くの空気量での燃焼を実行（希薄燃焼）することで、スロットルバルブの開度を大きくし、吸気管負圧を軽減しポンピングロスを低減する、希薄燃焼（リーンバーン）技術が実用化されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２０８２２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、可変動弁機構によって吸入空気量を調整する場合には、実圧縮比が低くなるため、圧縮端温度が低下して、燃料の着火性が悪くなり燃焼が安定しないという問題がある。
【０００７】
一方、希薄燃焼技術では、圧縮端温度の低下は起こらないものの、Ｎｏｘが発生しやすくなる。Ｎｏｘは、通常の三元触媒では浄化することができないので、吸蔵還元型触媒等の触媒を別途備えなければならないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、可変動弁機構によって吸入空気量を調整する内燃機関において、部分負荷領域における燃焼安定性を維持しつつ、ポンピングロスを低減し、燃費性能を向上させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、少なくとも吸気バルブの作動タイミングを変更可能な可変動弁機構を備える内燃機関を提供する。本発明の第１の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関に対して主燃料を供給する主燃料供給手段と、前記可変動弁機構によって前記吸気バルブの閉弁時期が早められた場合には、前記内燃機関に対して水素を供給する水素供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る内燃機関によれば、可変動弁機構によって吸気バルブの閉弁時期が早められた場合には、内燃機関に対して水素を供給するので、吸気バルブに起因するポンピングロスを低減することができると共に、燃焼状態を安定させることができる。
【００１１】
本発明の第２の態様は内燃機関を提供する。本発明の第２の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記内燃機関に対して主燃料を供給する主燃料供給手段と、前記内燃機関に吸入される吸入空気量を調整するための吸気制御バルブであって、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、部分負荷運転状態に対して設定された開度よりも開度が増大される吸気制御バルブと、少なくとも吸気バルブの閉弁タイミングを変更可能な可変動弁機構であって、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記吸気バルブの閉弁時期を早める、または遅らせる可変動弁機構と、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記内燃機関に対して水素を供給する水素供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の態様に係る内燃機関によれば、内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にある場合には、吸気制御バルブの開度が部分負荷運転状態に対して設定された開度よりも増大され、吸気バルブの閉弁時期が早められ、または遅らせられ、内燃機関に対して水素を供給するので、部分負荷領域における燃焼安定性を維持しつつ、ポンピングロスを低減し、燃費性能を向上させることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る内燃機関において、前記水素供給手段は、前記可変動弁機構が前記吸気バルブの閉弁時期を遅らせた場合には、前記内燃機関に対して吸気行程後半に水素を供給しても良い。かかる場合には、内燃機関の気筒内に水素を弱成層化することが可能となり、さらに、主燃料の着火性、火炎伝播性を向上することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る内燃機関はさらに、１つ以上の気筒を備え、前記水素供給手段は、前記気筒内に直接水素を供給するよう配置されていると共に、前記可変動弁機構によって前記吸気バルブの閉弁時期が遅らせられた場合には、前記内燃機関に対して圧縮行程において水素を供給しても良い。かかる場合には、内燃機関の気筒内に水素を成層化することが可能となり、さらに、主燃料の着火性、火炎伝播性を向上することができる。
【００１５】
本発明の第２の態様に係る内燃機関はさらに、前記吸気バルブを介して前記内燃機関へ吸入空気を導く吸気管を備え、前記主燃料供給手段は、前記吸気管に対して排気行程において主燃料を供給しても良い。かかる場合には、内燃機関の気筒内に主燃料を十分に均質化することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る内燃機関において、前記水素供給手段は、前記可変動弁機構によって前記吸気バルブの閉弁時期が早められた場合には、主燃料の供給時期に同期して前記内燃機関に対して水素を供給しても良い。かかる場合には、主燃料と水素とが内燃機関の気筒内に均質に分散され、バルブオーバラップによって残留ガス割合が高い状態においても、良好な火炎伝播、着火性を得ることができる。
【００１７】
本発明の第１または第２の態様に係る内燃機関はさらに、前記内燃機関における燃焼状態が安定しているか否かを判定する燃焼状態判定手段を備え、前記水素供給手段は、前記内燃機関の燃焼状態が安定していると判定された場合には、前記内燃機関に対する水素の供給を行わなくても良い。かかる場合には、水素の不要な消費を抑制することができる。
【００１８】
本発明の第３の態様は、内燃機関を提供する。本発明の第３の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記内燃機関に対して主燃料を供給する主燃料供給手段と、前記内燃機関に対して吸入空気を導く吸気管と、前記吸気管に配置されていると共に吸入空気量を調整するための吸気制御バルブと、少なくとも吸気バルブの閉弁タイミングを変更可能な可変動弁機構と、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記吸気制御バルブおよび前記可変動弁機構を制御して、前記吸気管の負圧を０近傍にするポンピングロス低減手段と、前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、前記内燃機関に対して水素を供給する水素供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第３の態様に係る内燃機関によれば、内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、吸気制御バルブおよび可変動弁機構を制御して、吸気管の負圧を０近傍にすると共に、内燃機関に対して水素を供給するので、部分負荷領域における燃焼安定性を維持しつつ、ポンピングロスを低減し、燃費性能を向上させることができる。
【００２０】
本発明の第４の態様は、少なくとも吸気バルブの作動タイミングを変更可能な可変動弁機構を備える内燃機関の燃焼制御方法を提供する。本発明の第４の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法は、前記内燃機関の運転状態を検出し、
前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出した場合には、
前記吸気バルブの閉弁時期を早め、
前記内燃機関に対して主燃料に加えて水素を供給することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第４の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法によれば、本発明の第１の態様に係る内燃機関と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第４の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法は、本発明の第１の態様に係る内燃機関と同様にして種々の態様にて実現され得る。
【００２２】
本発明の第５の態様は、内燃機関に吸入される吸入空気量を調整する吸気制御バルブおよび少なくとも吸気バルブの作動タイミングを変更可能な可変動弁機構を備える内燃機関の燃焼制御方法を提供する。本発明の第５の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法は、前記内燃機関の運転状態を検出し、
前記内燃機関の運転状態が部分負荷運転状態にあると検出された場合には、
前記吸気制御バルブの開度を部分負荷運転状態に対して設定された開度よりも増大させ、
前記吸気バルブの閉弁時期を早める、または遅らせ、
前記内燃機関に対して主燃料に加えて水素を供給することを特徴とする。
【００２３】
本発明の第５の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法によれば、本発明の第２の態様に係る内燃機関と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第５の態様に係る内燃機関の燃焼制御方法は、本発明の第２の態様に係る内燃機関と同様にして種々の態様にて実現され得る。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法について説明する。
【００２５】
・第１の実施例：
図１〜図４を参照して第１の実施例に係る内燃機関の概略構成について説明する。図１は第１の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。図２は第１の実施例に係る内燃機関において実行される燃焼制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図３は第１の実施例に係る内燃機関における吸気バルブと排気バルブの作動特性および水素の噴射時期を示す説明図である。図４は第１の実施例に係る内燃機関のポンピングロスと従来例に係る内燃機関のポンピングロスとを比較して示すＰ−Ｖ線図である。
【００２６】
第１の実施例に係る内燃機関１０は、内部に複数のシリンダ１１を有するシリンダブロック１２、シリンダ１１内を往復動するピストン１３、シリンダブロック１２の底部に配置されたクランクケース１４、シリンダブロック１２（シリンダ１１）の上部に配置されたシリンダヘッド１５を備えている。
【００２７】
シリンダヘッド１５は、各シリンダ１１毎に吸気ポート１６および排気ポート１７を有している。シリンダヘッド１５には、各シリンダ１１の略中心位置に対応する位置に火花点火のための点火プラグ３０が配置されると共に、各吸気ポート１６の下側にはシリンダ１１（燃焼室）の燃焼圧力を検出する燃焼圧力センサ５０が配置されている。
【００２８】
各吸気ポート１６には、吸気側カムＩＣによって駆動されて吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１６１が配置されており、各排気ポート１７には、排気側カムＥＣによって駆動されて排気ポート１７を開閉する排気バルブ１７１が配置されている。
【００２９】
吸気側カムＩＣ（吸気側カムシャフト）には、クランクシャフトに対する吸気側カムシャフトの位相を変位させて、吸気バルブ１６１の開弁時期および閉弁時期を通常タイミングに対して早める（進角させる）または、遅らせる（遅角させる）可変動弁機構２０が備えられている。可変動弁機構２０は、例えば、モータ、油圧制御バルブといったアクチュエータ２１によってカムシャフトを変位させることでクランクシャフトに対する吸気側カムシャフト（吸気側カムＩＣ）の位相を変位させる。なお、可変動弁機構２０には、位相の変位によりバルブタイミングを変更するもののみならず、作用角、バルブリフト量を変更するものも含まれる。作用角の変更は、例えば、作用角の異なる複数のカムを備え、運転状態に応じて使用するカムを切り換えることによって、あるいは、カムシャフトの回転速度を変更させることによって実現することができる。本実施例では、吸気バルブ１６１の閉弁時期を進角または遅角させることができればどのような可変動弁機構であっても良い。また、吸気バルブ１６１をアクチュエータによって直接駆動するものであっても良い。
【００３０】
各吸気ポート１６には主燃料であるガソリン燃料を噴射するための燃料噴射弁ＩＪ並びに水素を噴射するための水素噴射弁ＨＩＪが配置されている。すなわち、第１の実施例に用いられる内燃機関１０では、ガソリン燃料および水素燃料は共に、吸気ポートに噴射された後、シリンダ１１内に供給される。
【００３１】
各燃料噴射弁ＩＪには、燃料デリバリパイプＦＤを介して燃料が供給され、各水素噴射弁ＨＩＪには、高圧水素タンクＨＴに貯蔵されている水素が減圧弁等によって所定の圧力まで減圧された後に、水素デリバリパイプＨＦＤを介して供給される。
【００３２】
各吸気ポート１６には、吸気管１８の分岐端が連結され、各排気ポート１７には、排気管（排気マニホールド）１９の分岐端が連結されている。吸気管１８の途中には、燃焼室への流入吸気量を制御する吸気制御バルブ（スロットルバルブ）３１が配置されている。スロットルバルブ３１は、アクセルペダルとは機械的にリンクされていない、いわゆるリンクレスタイプのスロットルバルブであり、アクセルペダルとは電気的にリンクされている。したがって、アクセルペダルの踏み込み状態にかかわらず任意の開度を取ることができる。また、排気管１９の途中には燃焼後の排気ガスを浄化するための三元触媒３２が配置されている。
【００３３】
内燃機関１０の燃焼制御（運転制御）は、制御ユニット４０によって実行されている。制御ユニット４０は、演算処理機能（ＣＰＵ）、マップ、プログラム等を格納する記憶機能（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を備えている。制御ユニット４０には、燃焼室（シリンダ１１）内の燃焼圧力を検出する燃焼圧力センサ５０、スロットルバルブ３１の開度（ポジション）を検出するスロットルポジションセンサ５１、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ５２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ５３等を介して内燃機関１０の各種運転条件が入力される。また、制御ユニット４０には、以下に説明する燃料噴射弁ＩＪ、水素噴射弁ＨＪ、可変動弁機構２０（アクチュエータ２１）、点火プラグ３１が接続されており、ガソリンおよび水素供給量、ガソリンおよび水素の噴射時期、吸気バルブ１６１の閉弁時期、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。
【００３４】
次に、図２〜図４を参照して第１の実施例に係る内燃機関において実施される内燃機関の燃焼制御処理について説明する。本処理ルーチンは所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００３５】
制御ユニット４０は、各種センサ５０〜５３を介して内燃機関１０の運転状態を取得し（ステップＳ１００）、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態（軽負荷運転状態）にあるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。例えば、アクセルポジションセンサ５３によってアクセルペダルの踏み込み量が全踏み込み量に対して１／２未満であるときには、部分負荷運転状態にあると判定される。
【００３６】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態にないと判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了して通常の燃焼制御処理を実行する。
【００３７】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態にあると判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、スロットルバルブ３１を全開（ＷＯＴ）すると共に、可変動弁機構２０を介して吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせる（ステップＳ１２０）。可変動弁機構２０による吸気バルブ１６１の遅閉じは、例えば、図３に示すように実行される。図３において横軸はクランク角を示し、縦軸はバルブリフト量を示す。また、図３において実線は、吸気バルブ１６１の通常の動作特性を示し、一点鎖線は位相のみを変位させることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせた場合の動作特性を示し、破線は作用角を大きな作用角に変えることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせた場合の動作特性を示す。
【００３８】
位相のみを変位させて吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせる場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期も遅れることとなり、一方、作用角を変更して吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせる場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期を遅らせないこともできる。
【００３９】
スロットルバルブ３１を全開にして、吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせることによって、図４に示すように、本実施例Ｌ１では従来例Ｌ０と比較してポンピングロス（負圧）を大幅に低減することができる。したがって、内燃機関１０の出力効率を向上させることができる。
【００４０】
制御ユニット４０は、取得した運転状態に応じてストイキ燃焼を実現するためのガソリン燃料量を決定し、図３に示すように燃料噴射弁ＩＪを介して排気行程途中に吸気ポート１６に対して燃料を噴射する（ステップＳ１３０）。制御ユニット４０は、燃焼圧力センサ５０によって検出された燃焼圧力の変動に基づいて内燃機関１０の燃焼状態が安定しているか否かを判定する（ステップＳ１４０）。具体的には、燃焼圧力の変動が所定の変動値よりも大きい場合には燃焼状態は安定していないと判定され、所定の変動値以下である場合には燃焼状態は安定していると判定される。
【００４１】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の燃焼状態は安定していないと判定した場合には（ステップＳ１４０：Ｎｏ）、図３に示すように吸気行程後半に、水素噴射弁ＨＩＪを介して吸気ポート１６に対して所定量の水素を噴射する（ステップＳ１５０）。吸気行程後半に水素を噴射することによって、シリンダ１１内上部に水素を弱成層化することが可能となり、点火プラグ３０の近傍における水素濃度を濃くすることができる。
【００４２】
制御ユニット４０は、取得された運転状態に応じて点火時期を決定し、点火プラグ３０を介して火花点火を実行する点火制御を実行し（ステップＳ１６０）、本処理ルーチンを終了する。水素の高着火性によって混合気温度が低い状態にあってもガソリン燃料の着火性能を向上させることができると共に、水素の高い燃焼速度によって十分な（強い）火炎伝播を得てシリンダ１１内におけるガソリン燃料の燃焼を安定させることができる。
【００４３】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の燃焼状態が安定していると判定した場合には（ステップＳ１４０：Ｙｅｓ）、水素噴射制御を実行せず、点火制御（ステップＳ１６０）を実行して本処理ルーチンを終了する。燃焼状態が安定している場合には、水素を添加するまでもなく良好な燃焼状態を得ることができる。
【００４４】
以上説明したように第１の実施例に係る内燃機関１０によれば、内燃機関１０が部分負荷運転状態にある場合には、スロットルバルブ３１を全開し、吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせることによって吸入空気量の調整を行うことができると共に、内燃機関１０の燃焼が安定しない場合には水素燃料を添加するので安定した燃焼状態を維持することができる。
【００４５】
したがって、図４にＬ１として示すように、部分負荷運転状態においてストイキ燃焼を実行する場合におけるスロットルバルブ３１に起因するポンピングロスを従来例（Ｌ０）と比較して大幅に低減することができる。また、吸気バルブ１６１の閉弁時期の遅延に伴い実圧縮比が低下する条件下においても、ガソリン燃料の着火性能を向上させることができると共に水素が有する高い燃焼速度による良好な火炎伝播により燃焼安定性を向上させることができる。この結果、内燃機関の安定した燃焼状態を維持しつつ、内燃機関の出力効率、燃費性能を向上させることができる。
【００４６】
また、第１の実施例に係る内燃機関１０では、部分負荷運転状態においてもストイキ燃焼を実行するため、一般的に用いられる三元触媒３２によって排気ガスを浄化することができる。すなわち、部分負荷運転状態において希薄燃焼によりポンピングロスを低減する場合に必要となる、Ｎｏｘを浄化するための吸蔵還元型触媒を別途備える必要がない。
【００４７】
さらに、第１の実施例によれば、水素の噴射時期を、吸気行程後半とし、圧縮行程時のシリンダ内上部に水素を弱成層化するので、点火プラグ３１の近傍における水素濃度を高めることが可能となり、更にガソリン燃料の着火性能を向上させることができる。
【００４８】
なお、燃焼状態が安定しているか否かを判定することなく、すなわち、ステップＳ１４０を省略して、内燃機関１０が部分負荷運転状態にある場合には水素添加を実施するようにしても良い。また、添加する水素量は、一定値であってもよく、あるいは、燃焼圧力の変動が大きくなるにつれて水素量を多くする等、燃焼圧力と対応づけても良い。
【００４９】
・第２の実施例：
次に、図５〜図７を参照して第２の実施例に係る内燃機関において実施される内燃機関の燃焼制御処理について説明する。図５は第２の実施例に係る内燃機関において実行される燃焼制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図６は第２の実施例に係る内燃機関における吸気バルブと排気バルブの作動特性および水素の噴射時期を示す説明図である。図７は第２の実施例に係る内燃機関のポンピングロスと従来例に係る内燃機関のポンピングロスとを比較して示すＰ−Ｖ線図である。第２の実施例に係る内燃機関の構成は第１の実施例に係る内燃機関１０の構成と同様であるから同一の構成要素については同一の符号を付すことでその説明を省略する。第２の実施例では、吸気バルブ１６１の閉弁時期を早めることによって吸気量制御を行う点で第１の実施例と異なる。
【００５０】
本処理ルーチンは所定の時間間隔で繰り返し実行される。制御ユニット４０は、各種センサ５０〜５３を介して内燃機関１０の運転状態を取得し（ステップＳ２００）、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態（軽負荷運転状態）にあるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。例えば、アクセルポジションセンサ５３によってアクセルペダルの踏み込み量が全踏み込み量に対して１／２未満であると共にクランクポジションセンサ５２によって検出された機関回転数が低い場合には、部分負荷運転状態にあると判定される。
【００５１】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態にないと判定した場合には（ステップＳ２１０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了して通常の燃焼制御処理を実行する。
【００５２】
制御ユニット４０は、内燃機関１０の運転状態が部分負荷運転状態にあると判定した場合には（ステップＳ２１０：Ｙｅｓ）、スロットルバルブ３１を全開（ＷＯＴ）すると共に、可変動弁機構２０を介して吸気バルブ１６１の閉弁時期を早める（進める）（ステップＳ２２０）。可変動弁機構２０による吸気バルブ１６１の早閉じは、例えば、図６に示すように実行される。図６において横軸はクランク角を示し、縦軸はバルブリフト量を示す。また、図６において実線は、吸気バルブ１６１の通常の動作特性を示し、一点鎖線は位相のみを変位させることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を進めた場合の動作特性を示し、破線は作用角を小さな作用角に変えることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を進めた場合の動作特性を示す。
【００５３】
位相のみを変位させて吸気バルブ１６１の閉弁時期を進める場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期も早まることとなるが、できる限りバルブオーバラップ量を抑えることが好ましい。一方、作用角を変更して吸気バルブ１６１の閉弁時期を進める場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期を早めないこともできる。作用角を変更する場合には、吸気バルブ１６１の開弁時期を早めることがないので、排気バルブ１７１とのバルブオーバラップも拡大することなく、排気ポート１７への未燃燃料（混合気）の流出を防止することができると共に残量ガス割合を低減することができる。
【００５４】
スロットルバルブ３１を全開にして、吸気バルブ１６１の閉弁時期を早めることによって、図７に示すように、本実施例Ｌ２では従来例Ｌ０と比較してポンピングロス（負圧）を大幅に低減することができる。したがって、内燃機関１０の出力効率を向上させることができる。
【００５５】
制御ユニット４０は、取得した運転状態に応じてストイキ燃焼を実現するためのガソリン燃料量を決定すると共に、予め定められた水素量を用い、図４に示すように燃料噴射弁ＩＪおよび水素噴射弁ＨＩＪを介して排気行程後半に吸気ポート１６に対してガソリン燃料および水素燃料を同時に噴射する（ステップＳ２３０）。
【００５６】
制御ユニット４０は、取得された運転状態に応じて点火時期を決定し、点火プラグ３０を介して火花点火を実行する点火制御を実行し（ステップＳ２４０）、本処理ルーチンを終了する。
【００５７】
位相のみを変位させることで吸気バルブ１６１の閉弁時期を早める場合には、既述のようにバルブオーバラップによって残留ガス割合が高くなり火炎伝播が遅くなる。しかしながら、第２の実施例では、水素燃料は排気行程後半に吸気ポート１６へ噴射されるので、シリンダ１１内に均質に分散され、この結果、水素が有する高い燃焼速度特性によって良好な火炎伝播を実現することができる。
【００５８】
以上説明したように第２の実施例に係る内燃機関１０によれば、内燃機関１０が部分負荷運転状態にある場合には、スロットルバルブ３１を全開し、吸気バルブ１６１の閉弁時期を早めることによって吸入空気量の調整を行うことができると共に、水素燃料を添加することによって安定した燃焼状態を維持することができる。
【００５９】
したがって、図７にＬ２として示すように、部分負荷運転状態においてストイキ燃焼を実行する場合におけるスロットルバルブ３１に起因するポンピングロスを従来例（Ｌ０）と比較して大幅に低減することができる。また、吸気バルブ１６１の閉弁時期の進行に伴い実圧縮比が低下する条件下においても、シリンダ１１内に水素を均質に分散させることにより、ガソリン燃料の着火性能を向上させることができると共に良好な火炎伝播により燃焼安定性を向上させることができる。この結果、内燃機関の安定した燃焼状態を維持しつつ、内燃機関の出力効率、燃費性能を向上させることができる。
【００６０】
この他にも、第１の実施例に係る内燃機関１０と同様に、排気ガスを三元触媒３２にて浄化できる等の効果を得ることができる。
【００６１】
・第３の実施例：
図８を参照して第３の実施例に係る内燃機関について説明する。図８は第３の実施例に係る内燃機関１００の概略構成を示す説明図である。なお、第１および第２の実施例に係る内燃機関１０と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略し、異なる点について以下、説明する。
【００６２】
先ず、上記各実施例では、内燃機関１０はスロットルバルブ３１を備えていたが、本実施例に係る内燃機関１００は、スロットルバルブ３１を備えていない。すなわち、本実施例では、吸入空気量の調整は、内燃機関１００の運転状態にかかわらず、可変動弁機構２０によって吸気バルブ１６１の閉弁時期を調整することによって実行される。かかる場合には、スロットルバルブ３１に起因するポンピングロスは発生しないが、吸気バルブ１６１に起因するポンピングロスが発生する。そこで、本実施例では、部分負荷運転状態においては、吸気バルブ１６１の閉弁時期を早めることによって、吸入空気が吸気バルブ１６１を通過する際に発生する圧損を低減し、吸気管１８に発生する負圧を低減してポンピングロスを抑制する。吸気バルブ１６１が閉弁された後は、吸気行程においてシリンダ１１内に負圧が発生するが、密閉空間において発生した負圧であり、負圧を発生させるために消費されたエネルギは圧縮行程において回収されるため、ポンピングロスとはならない。
【００６３】
また、上記実施例では、水素噴射装置ＨＩＪは吸気ポート１６に配置されていたが、本実施例では、水素噴射装置ＨＩＪ’は、シリンダ１１内に直接水素を供給（噴射）できるよう、吸気ポート１６近傍のシリンダヘッド１５に配置されている。この結果、第１の実施例のように、吸気バルブ１６１の閉弁時期を遅らせる場合、圧縮行程においてシリンダ１１内に水素を供給することが可能となり、水素の成層化を図ることができる。したがって、点火プラグ３０の近傍における水素濃度をより高めることが可能となり、ガソリン燃料の燃焼安定性をより確実なものとすることができる。
【００６４】
更に、本実施例では、燃焼圧力センサ５０を備えていない。本実施例では、クランクポジションセンサ５２を介して検出された機関回転数のばらつき（変動）が所定値を超えた場合に、内燃機関１００における燃焼状態が安定していないと判定する。燃焼状態が安定しているか否かを判定するためには、それほど正確な燃焼圧力を得る必要はなく、機関回転数のばらつきによっても燃焼状態が安定しているか否かを判定することは可能である。かかる場合には、燃焼圧力センサ５０を別途備える必要がないという利点を有する。
【００６５】
・その他の実施例：
上記実施例では、高圧水素タンクＨＴに高圧貯蔵された水素ガスを用いたが、液体水素を用いても良い。また、上記実施例では、純水素を用いたが、内燃機関１０、１００に改質器を搭載し、改質器によって生成された水素リッチガスを用いても良い。
【００６６】
上記実施例では、主燃料としてガソリンを用いているが天然ガス等を用いても良い。
【００６７】
上記実施例では、ポート噴射タイプの燃料噴射弁ＩＪが用いられているが、シリンダ１１内に直接燃料が噴射される直噴タイプの燃料噴射弁が用いられても良い。
【００６８】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係る内燃機関において実行される燃焼制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】第１の実施例に係る内燃機関における吸気バルブと排気バルブの作動特性および水素の噴射時期を示す説明図である。
【図４】第１の実施例に係る内燃機関のポンピングロスと従来例に係る内燃機関のポンピングロスとを比較して示すＰ−Ｖ線図である。
【図５】第２の実施例に係る内燃機関において実行される燃焼制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】第２の実施例に係る内燃機関における吸気バルブと排気バルブの作動特性および水素の噴射時期を示す説明図である。
【図７】第２の実施例に係る内燃機関のポンピングロスと従来例に係る内燃機関のポンピングロスとを比較して示すＰ−Ｖ線図である。
【図８】第３の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１００…内燃機関
１１…シリンダ
１２…シリンダブロック
１３…ピストン
１４…クランクケース
１５…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６１…吸気バルブ
１７…排気ポート
１７１…排気バルブ
１８…吸気管
１９…排気管
２０…可変動弁機構
２１…アクチュエータ
３０…点火プラグ
３１…吸気制御弁（スロットルバルブ）
３２…三元触媒
４０…制御ユニット
５０…燃焼圧力センサ
５１…スロットルポジションセンサ
５２…クランクポジションセンサ
５３…アクセルポジションセンサ
ＩＣ…吸気側カム
ＥＣ…排気側カム
ＩＪ…燃料噴射弁（インジェクタ）
ＦＤ…燃料デリバリパイプ
ＨＩＪ、ＨＩＪ’…水素噴射弁
ＨＦＤ…水素デリバリパイプ
ＨＴ…高圧水素タンク
【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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