(57)【要約】【課題】水素等の気体燃料を有効に利用して燃料混合気のリーンリミットを拡大し、熱効率の向上と排気の改善とを実現させ得る内燃機関の気体燃料添加方法を提供する。【解決手段】燃料混合気を形成するためのガソリン燃料とは別に水素をシリンダ３内に添加する内燃機関１の気体燃料添加方法において、水素を吸気行程中に添加する第１の添加工程と、水素を圧縮行程中に添加する第２の添加工程とを設ける。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料混合気を形成するための主燃料とは別の気体燃料を筒内に添加する内燃機関の気体燃料添加方法であって、前記気体燃料を吸気行程中に添加する第１の添加工程と、前記気体燃料を圧縮行程中に添加する第２の添加工程とを備えることを特徴とする内燃機関の気体燃料添加方法。
【請求項２】
前記第２の添加工程では、前記気体燃料が点火プラグの周りに集まるように添加することを特徴とする請求項１に記載の気体燃料添加方法。
【請求項３】
前記第２の添加工程では、点火プラグに向かって前記気体燃料を噴射することを特徴とする請求項２に記載の気体燃料添加方法。
【請求項４】
ピストンの頂面に前記気体燃料を前記点火プラグに向かって案内する案内部を形成し、前記第２の添加工程では前記案内部に向かって前記気体燃料を噴射することを特徴とする請求項２に記載の気体燃料添加方法。
【請求項５】
前記第１の添加工程における前記気体燃料の添加量よりも前記第２の添加工程における前記気体燃料の添加量を少なくしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の気体燃料添加方法。
【請求項６】
前記第２の添加工程における前記気体燃料の添加量を、前記点火プラグの付近に火炎核が形成されるために必要な最小限度に設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の気体燃料添加方法。
【請求項７】
一回の燃焼に備えて供給される前記主燃料の量を、実質的な燃焼が可能な最小限度に設定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の気体燃料添加方法。
【請求項８】
前記吸気行程において筒内に吸気流動を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の気体燃料添加方法。
【請求項９】
前記主燃料がガソリンであり、前記気体燃料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項に記載の気体燃料添加方法。
【請求項１０】
燃料混合気を形成するための主燃料とは別の気体燃料を筒内に添加する気体燃料添加手段と、
前記気体燃料が吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ添加されるように前記気体燃料添加手段を制御する添加制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の気体燃料添加装置。
【請求項１１】
前記気体燃料添加手段は、点火プラグに向かって前記気体燃料を噴射可能であることを特徴とする請求項１０に記載の気体燃料添加装置。
【請求項１２】
ピストンには前記気体を前記点火プラグに向かって案内する案内部が形成され、前記気体燃料添加手段は前記案内部に向かって前記気体燃料を噴射可能であることを特徴とする請求項１０に記載の気体燃料添加装置。
【請求項１３】
前記添加制御手段は、吸気行程中における前記気体燃料の添加量よりも圧縮行程中における前記気体燃料の添加量が少なくなるように前記気体燃料添加手段を制御することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の気体燃料添加装置。
【請求項１４】
前記添加制御手段は、圧縮行程中の前記気体燃料の添加量が、前記点火プラグの付近に火炎核が形成されるために必要な最小限度となるように前記気体燃料添加手段を制御することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の気体燃料添加方法。
【請求項１５】
一回の燃焼に備えて供給される前記主燃料の量が、実質的な燃焼が可能な最小限度となるように前記主燃料の供給量を制御する燃料供給制御手段を備えたことを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の気体燃料添加装置。
【請求項１６】
筒内に吸気流動を形成する吸気流動形成手段を備えたことを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の気体燃料添加装置。
【請求項１７】
気筒の中心線の回りを旋回するスワール流を筒内に形成する吸気流動形成手段を備え、前記案内部は前記気体燃料を前記スワール流の方向に沿って湾曲させるように形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の気体燃料添加装置。
【請求項１８】
前記主燃料がガソリンであり、前記気体燃料が水素であることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の気体燃料添加装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の筒内に形成される燃料混合気に水素等の気体燃料を添加する方法及び装置に関する。
【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（希薄限界）の向上とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減とを図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筒内の周辺部への火炎伝播の向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報の内燃機関では水素を着火性の改善に利用しているだけであり、着火後の火炎伝播はガソリン燃料に依存している。従って、火炎の伝播には水素が殆ど関与せず、火炎伝播特性からみたリーンリミットはガソリン燃料のみを利用する場合と比較して殆ど変わらない。従って、リーンリミットを無理に拡大すれば火炎伝播不良による失火や運転状態の不安定化を招く。
【０００４】
一方、筒内に満遍なく水素を分散させた場合には火炎伝播特性が改善される。この改善度は水素の量が増加するほど向上し、水素の量が増加するに従いリーンリミットが拡大し、それに伴って熱効率が向上してＮＯｘの低減量は増加する。しかし、水素の供給に関する社会資本の整備等を考慮すると、ＮＯｘが完全に削減できるような大量の水素の添加は不可能である。従って、現実には、添加できる水素の量をできる限り少量に抑える必要がある。
【０００５】
しかし、少量の水素の添加では、燃料混合気の着火性に関してガソリンの影響が大きく、水素による着火性の向上は大きくない。従って、リーンリミットに関しては、ガソリン燃料のみを使用した場合と比較して全く拡大しないわけではないが、この程度のリーン域ではＮＯｘの生成を完全には排除できず触媒を利用せざるを得ないが、リーン領域であるためにＮＯｘ吸蔵触媒を利用してＮＯｘを処理することが必要不可欠である。このような触媒を使用した場合には性能の維持や保守点検に関して相当の配慮が必要となり、手間がかかる。
【０００６】
そこで、本発明は、水素等の気体燃料を有効に利用して燃料混合気のリーンリミットを拡大し、熱効率の向上と排気の改善とを実現可能であり、望ましくはＮＯｘ吸蔵触媒を不要とする程度まで排気を改善できる内燃機関の気体燃料添加方法及び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】
本発明の気体燃料添加方法は、燃料混合気を形成するための主燃料とは別の気体燃料を筒内に添加する内燃機関の気体燃料添加方法であって、前記気体燃料を吸気行程中に添加する第１の添加工程と、前記気体燃料を圧縮行程中に添加する第２の添加工程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】
本発明の気体燃料添加方法において、第１の添加工程で添加された気体燃料は吸気行程中における燃焼室の膨張に伴って主燃料や空気と十分に混合されて筒内に満遍なく分散される。一方、第２の添加工程で添加される気体燃料は点火の直前であり、筒内に拡散せず、部分的に気体燃料の濃度が高い領域を形成する。この気体燃料の濃度が高い領域を点火に利用することにより燃料混合気の着火性を向上させることができる。そして、着火後の火炎伝播に関しては、筒内に満遍なく気体燃料が分散されているので、主燃料のみを利用した場合よりも火炎伝播特性が向上する。
【０００９】
このように、本発明によれば、着火を含む初期燃焼と、火炎伝播を主体とする後期燃焼とのいずれに対しても気体燃料が有効に作用するので、主燃料に対する空気量を増加させてリーンリミットを拡大し、それにより熱効率の向上と排気の改善、特にＮＯｘの生成量の削減とを図ることができる。リーンリミットの拡大により燃焼時の筒内温度を十分に低下させてＮＯｘ生成量をほぼ０まで低下させることも不可能ではなく、その場合にはＮＯｘ吸蔵触媒をも不要とすることができる。
【００１０】
本発明の気体燃料添加方法において、前記第２の添加工程では、前記気体燃料が点火プラグの周りに集まるように添加することが望ましい（請求項２）。このような気体燃料の添加は、点火プラグに向かって前記気体燃料を噴射すること（請求項３）、あるいは、ピストンの頂面に前記気体燃料を前記点火プラグに向かって案内する案内部を形成し、その案内部に向かって気体燃料を噴射すること（請求項４）、によって実現することができる。このように圧縮行程で添加される気体燃料を点火プラグの周りに集めたならば、着火性を確実に向上させることができる。
【００１１】
本発明の気体燃料添加方法においては、第２の添加工程で添加される気体燃料は着火性を確保できれば十分であり、ごく僅かな量で足りるのに対して、第１の添加工程で添加される気体燃料は筒内に満遍なく分散される必要がある。従って、前記第１の添加工程における前記気体燃料の添加量よりも前記第２の添加工程における前記気体燃料の添加量を少なくすることが望ましい（請求項５）。より好ましくは、前記第２の添加工程における前記気体燃料の添加量を、前記点火プラグの付近に火炎核が形成されるために必要な最小限度に設定する（請求項６）。着火時に気体燃料の効果を利用して火炎核が形成できれば、それ以降は第１の添加工程で添加された気体燃料の助けを得て火炎がほぼ確実に伝播する。火炎核の形成に必要最小限度まで気体燃料の添加量を制限することにより、火炎核形成時のＮＯｘ生成量も減らすことができ、排気がさらに改善される。
【００１２】
また、本発明の気体燃料添加方法においては、一回の燃焼に備えて供給される前記主燃料の量を、実質的な燃焼が可能な最小限度に設定するとよい（請求項７）。このように主燃料の供給量を制限すれば主燃料のみでは実現し得ない希薄域で内燃機関を運転することができ、ＮＯｘ生成量を大幅に低減することができる。なお、実質的な燃焼とは、内燃機関を実用に供し得る程度に燃焼が成立すること意味し、燃焼の安定性に相関する物理量を指標としてこれを評価することができる。例えば、燃焼の不安定化に伴って内燃機関の出力トルクの変動量が拡大するため、トルク変動量に対して実用上の限界値を設定し、その限界値を超えるときに実質的な燃焼が成立していないと評価することができる。
【００１３】
さらに、本発明の気体燃料添加方法においては、吸気行程において筒内に吸気流動を形成してもよい（請求項８）。吸気流動を形成した場合には第１の添加工程で添加された気体燃料を主燃料や空気と効率よく混合させて筒内に均質に分散させることができる。吸気流動は、気筒の中心線の回りに旋回するスワール流でもよいし、気筒の中心線の方向に沿って旋回するタンブル流であってもよい。
【００１４】
次に、本発明の内燃機関の気体燃料添加装置は、燃料混合気を形成するための主燃料とは別の気体燃料を筒内に添加する気体燃料添加手段と、前記気体燃料が吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ添加されるように前記気体燃料添加手段を制御する添加制御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１０）。
【００１５】
この気体燃料添加装置によれば、吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ気体燃料を添加することにより、本発明の気体燃料添加方法の第１及び第２の添加工程を実現して上記の通りの作用効果を得ることができる。
【００１６】
上述した本発明の気体燃料添加方法の好ましい態様を実現するため、本発明の内燃機関の気体燃料添加装置も次のような態様を含むことができる。
【００１７】
前記気体燃料添加手段は、点火プラグに向かって前記気体燃料を噴射可能であってもよい（請求項１１）。ピストンには前記気体を前記点火プラグに向かって案内する案内部が形成され、前記気体燃料添加手段は前記案内部に向かって前記気体燃料を噴射可能であってもよい（請求項１２）。
【００１８】
前記添加制御手段は、吸気行程中における前記気体燃料の添加量よりも圧縮行程中における前記気体燃料の添加量が少なくなるように前記気体燃料添加手段を制御してもよい（請求項１３）。前記添加制御手段は、圧縮行程中の前記気体燃料の添加量が、前記点火プラグの付近に火炎核が形成されるために必要な最小限度となるように前記気体燃料添加手段を制御してもよい（請求項１４）。一回の燃焼に備えて供給される前記主燃料の量が、実質的な燃焼が可能な最小限度となるように前記主燃料の供給量を制御する燃料供給量制御手段を備えてもよい（請求項１５）。筒内に吸気流動を形成する吸気流動形成手段を備えてもよい（請求項１６）。吸気流動形成手段はスワール流又はタンブル流を形成するものでよく、これらの吸気流動は例えば吸気ポートの一部に配置されたスワールコントロールバルブやタンブルコントロールバルブ等の弁手段やヘリカルポート等により実現できる。
【００１９】
さらに、本発明の気体燃料添加装置においては、気筒の中心線の回りを旋回するスワール流を筒内に形成する吸気流動形成手段を備え、前記案内部は前記気体燃料を前記スワール流の方向に沿って湾曲させるように形成されてもよい（請求項１７）。この場合には、スワール流に沿って気体燃料が点火プラグ側に向かうので圧縮行程中の筒内に対してより少ない圧力で気体燃料を添加することができる利点がある。
【００２０】
本発明において、前記主燃料は例えばガソリンであり、その場合に前記気体燃料として水素を好適に使用することができる（請求項９，１８）。
【００２１】
本発明において、「添加」の語は、燃料混合気を形成するために内燃機関に加えられる主燃料に対して気体燃料が追加されることを意味し、気体燃料を加える量、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。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態の気体燃料添加装置が組み込まれた内燃機関の要部を示している。内燃機関１は４サイクル式のガソリンエンジンとして構成されており、燃焼室２を形成するシリンダ（気筒）３、ピストン４及びシリンダヘッド５と、吸気ポート８及び排気ポート９をそれぞれ開閉する吸気バルブ６及び排気バルブ７と、吸気ポート８に主燃料としてのガソリンを噴射する燃料噴射弁１０と、その燃料噴射弁１０に所定圧の燃料を供給する燃料デリバリチューブ１１と、混合気点火用の火花を形成する点火プラグ１２とを備えている。さらに、シリンダヘッド５には気体燃料添加手段としての水素噴射弁１３が設けられている。水素噴射弁１３は水素供給装置１４から水素デリバリチューブ１５を介して供給される気体燃料としての水素をそのノズル１３ａからシリンダ３内に噴射する。水素の噴射方向は、シリンダ３の中心線ＣＬ１と直交する方向（以下、シリンダ横断方向と呼ぶ。）に対してピストン４側に幾らか傾けられている。水素供給装置１４は、水素タンクに蓄えられた高圧水素を所定圧力に調圧して供給するものでもよいし、ガソリン燃料を改質して水素を取り出すものでもよい。
【００２３】
ピストン４の頂面４ａにはその水素噴射弁１３から噴射された水素を点火プラグ１２の付近に案内するための案内部としてのキャビティ４ｂが形成されている。そのキャビティ４ｂの詳細を図２に示す。キャビティ４ｂは、直線状の第１の壁面４ｃと、湾曲した第２の壁面４ｄとを有している。第１の壁面４ｃはピストン頂面４ａとの交差部Ｐ１からシリンダ横断方向に対して一定の傾斜角βで下り勾配を描いて延びている。水素噴射弁１３から噴射される水素流２０の中心線ＣＬ２のシリンダ横断方向に対する傾斜角をα、シリンダ３の中心線ＣＬ１の方向に関する水素流２０の広がり角をθｖとしたとき、傾斜角βは次式を満たすように設定される。
【００２４】
【数１】
β＞α＋θｖ／２
このように傾斜角βを設定すれば、水素流２０が第１の壁面４ｃに接触せず、第１の壁面４ｃと水素流２０との衝突による水素の拡散を防止することができる。なお、ピストン頂面４ａと第１の壁面４ｃとの交差部Ｐ１の位置は、後述する圧縮行程中の水素の噴射時期において、水素流２０がピストン頂面４ａと衝突しないように定められる。
【００２５】
一方、第２の壁面４ｄは第１の壁面４ｃとの交差部Ｐ２から凹曲面を描きつつ点火プラグ１２側に向かって立ち上がる湾曲面に形成される。第１の壁面４ｄの湾曲は、圧縮行程中における水素の噴射時期において、水素流２０を点火プラグ１２の付近に集中させることができるように定められる。第２の壁面４ｄとピストン頂面４ａとの交差部Ｐ３は圧縮行程中に噴射される水素流２０の上端の延長線Ａよりも点火プラグ１２側に位置するように定められる。これにより、水素流２０を第２の壁面４ｄで漏れなく捉えて点火プラグ１２の周りに効率よく集中させることができる。
【００２６】
図１に戻って、内燃機関１の動作はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ１６）により制御される。ＥＣＵ１６はマイクロプロセッサ及びその動作に必要な主記憶装置としてのＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置を備えたコンピュータとして構成される周知の制御装置である。ＥＣＵ１６は、各種のセンサの出力信号に基づいて特定した内燃機関１の運転状態に応じて燃料噴射弁１０の燃料噴射時期、及び燃料噴射量を制御することにより、本発明の燃料供給制御手段として機能する。また、ＥＣＵ１６は、クランク角センサ１７から出力されるクランク角信号に基づいて水素噴射弁１３からの水素の噴射時期及び噴射量を制御することにより、本発明の添加制御手段として機能する。
【００２７】
図３はＥＣＵ１６によって制御される燃料噴射弁１０からの燃料噴射時期、水素噴射弁１３からの水素噴射時期及び点火プラグ１２による点火時期と、吸排気バルブ６，７の開弁時期と、筒内圧（シリンダ３の内部圧力）とをクランク角と対応付けて示したタイミングチャートである。なお、クランク角は圧縮ＴＤＣ（圧縮行程においてピストン４が上死点（ＴＤＣ）に達したとき）を０°とし、その圧縮ＴＤＣまでにクランク軸が回転すべき角度として示されている。
【００２８】
図３から明らかなように、燃料噴射弁１０による燃料噴射時期は吸気バルブ６が閉じている圧縮ＴＤＣから吸気ＴＤＣ（ピストン４が上死点に位置する吸気行程の始期）の直前迄の間に設定される。排気バルブ７は膨張行程の終期（ピストン４が下死点（ＢＴＤＣ）に位置する時期）付近から吸気ＴＤＣ付近まで開弁され、吸気バルブ６は吸気ＴＤＣ付近から吸気行程の終期付近まで開弁される。筒内圧は吸気バルブ６又は排気バルブ７のいずれかが開弁している期間において低下し、バルブ６，７が閉じられると上昇する。そして、水素噴射弁１３からの水素の噴射時期は吸気行程中の第１回目噴射期間（第１の添加工程）と、圧縮行程中の第２回目噴射期間（第２の添加工程）とに分けて設定されている。第２回目噴射期間は特に圧縮行程の後半、すなわち圧縮ＴＤＣまでのクランク角が９０°以下になった時期に設定される。そして、第２回目噴射期間は第１回目噴射期間よりも十分に短く設定される。
【００２９】
ＥＣＵ１６はクランク角センサ１７の出力信号に基づいてクランク角を常時監視し、図３のタイミングチャートに従って燃料噴射弁１０からの燃料噴射、水素噴射弁１３からの水素噴射、及び点火プラグ１２による点火時期を制御する。
【００３０】
図３に従って水素が噴射される様子を図４に示す。図４（ａ）は第１回目噴射期間の様子を示している。第１回目噴射期間においては吸気バルブ６が開弁しかつピストン４が下降することにより、吸気ポート８からガソリン燃料と空気とが燃料混合気を形成しつつシリンダ３内に吸入される。これらの吸入と並行して水素噴射弁１３から水素流２０が噴射され、その水素はピストン４の下降による燃焼室２の膨張に伴って拡散して燃料混合気と混ざり合う。
【００３１】
続く圧縮行程中の第２回目噴射期間においては、図４（ｂ）に示すように水素噴射弁１３から上昇過程のピストン４に向かって水素が噴射される。噴射された水素流２０は図２に示したようにキャビティ４ｂに沿って方向転換されて点火プラグ１２の付近に導かれる。従って、圧縮行程の後半には、図４（ｃ）に示すように、第１回目噴射期間に噴射された水素が想像線Ｌ１で示すようにシリンダ３内の広い範囲に亘ってほぼ均等に分散される一方、第２回目噴射期間に噴射された水素により、点火プラグ１２の付近には他の部分よりも水素濃度の高い領域Ｌ２が形成される。
【００３２】
これにより、点火プラグ１２による着火時には、水素の着火改善効果が十分に発揮され、ガソリン燃料のみを使用する場合や混合気に対して均質に水素を分散させるだけの場合と比較して着火性が改善されて良好な初期燃焼が実現される。そして、着火した火炎が伝播する後期燃焼においては、第１回目噴射期間に噴射された水素が燃焼室２内に十分に分散しているので火炎伝播特性が向上し、ガソリン成分が少なくても良好な燃焼状態が確保される。このように初期燃焼及び後期燃焼のいずれにおいても水素の燃焼改善効果を十分に発揮させることができるので、従来と比べてシリンダ３内に導入される空気量を増大させてリーンリミットを拡大することができる。例えば、水素をその熱量にしてガソリンの２０％添加するとした場合（但し、第１回目と第２回目の合計値）、従来であれば空気過剰率が２倍程度が限界であるが、本実施形態であれば空気過剰率を２．５〜３倍程度まで拡大しても燃焼状態を安定させることができる。この程度まで空気を増やすことができれば筒内の温度が大幅に低下してＮＯｘ生成量がほぼ０まで減少し、ＮＯｘ吸蔵触媒を使用する必要がなくなる。
【００３３】
以上の実施形態において、第２回目噴射期間に噴射されるべき水素の量は着火に必要な最小限度でよい。具体的には点火プラグ１２の近傍に、火炎伝播の起点となる火炎核が形成されるために必要な最小限度でよい。例えば第１回目の噴射量と第２回目の噴射量の合計を熱量にしてガソリンの２０％に設定する場合、第２回目の噴射量はガソリンの熱量の３％程度に相当する量で足りる。残りの１７％に相当する量は第１回目に噴射すればよい。火炎核の形成に必要な水素量を絞り込むことにより、火炎核の形成時におけるＮＯｘの生成量を最小限に抑えることができる。いずれにせよ、第２回目噴射期間における水素の噴射量は第１回目噴射期間における噴射量と比較して遙かに少ない値でよい。
【００３４】
また、一回の燃焼に備えて噴射されるガソリンの量は実質的な燃焼が可能な最小限度でよい。実質的な燃焼が可能か否かは例えばトルク変動によって評価することができる。すなわち、ガソリンの噴射量を減らして空燃比をリーン側に変化させると、リーンリミット近傍において空気の比率が増加するほど燃焼が徐々に不安定となり、その影響がトルク変動として出現する。従って、吸気、圧縮、膨張及び排気の４行程を一つの単位としたとき、一単位内におけるトルク変動量の限界値を０．４〜０．５Ｎｍに設定し、この限界値に達したときの空燃比をリーンリミットとして実質的な燃焼が可能な範囲を特定し、そのリーンリミット内で燃焼が行われるようにガソリン噴射量を設定すればよい。
【００３５】
なお、各噴射期間においては、水素を連続的に噴射してもよいし、複数回に分けて噴射してもよい。第１回目噴射期間及び第２回目噴射期間における水素の噴射量は、それぞれの噴射期間に対して予め定められた一定値に制御してもよいが、内燃機関１の運転状態に応じて第１回目噴射期間及び第２回目噴射期間の水素の噴射量をそれぞれ変化させてもよい。例えば、噴射されるガソリンの熱量に対して一定の比率で水素を噴射させる場合にはＥＣＵ１６が算出する燃料噴射量に基づいて第１回目及び第２回目のそれぞれ水素噴射量を演算し、その演算結果に従って水素噴射弁１３の開弁時期（デューティー比）を制御すればよい。第１回目噴射期間及び第２回目噴射期間の長さも必要に応じて適宜に調整してよい。
【００３６】
次に、図５〜図８を参照して上記の実施形態の幾つかの好ましい変形例を説明する。なお、各図において図１〜図４と共通する部分には同一符号を付してある。
【００３７】
まず、圧縮行程における水素噴射弁１３からの水素流２０の噴射方向については、図５に示すように水素噴射弁１３から点火プラグ１２の付近に向かって水素流２０を噴射してもよい。なお、圧縮行程に限らず、吸気行程及び圧縮行程の両者で点火プラグ１２に向かって水素を噴射してもよい。ピストン４のキャビティ４ｂは省略してもよい。吸気行程と圧縮行程とで異なる方向に水素を噴射させる場合には、水素噴射弁１３に噴射方向が異なる複数の噴孔を形成するとともに、実際に使用する噴孔を選択的に切り替える切替機構を水素噴射弁１３に内蔵させる。切替機構は、例えば各噴孔に通じる流路をスプール等の流路選択手段にて切り替えるように構成すればよい。
【００３８】
吸気ポート８については、図６に示すように２本の吸気バルブ６，６に１：１に対応させて分岐路８ａ，８ｂを形成し、一方の分岐路８ａにスワールコントロールバルブ３０を設けて分岐路８ａの開口面積を分岐路８ｂよりも減少させる（完全に閉じる場合も含む。）ことにより、シリンダ３内にスワール流３１が形成されるようにしてもよい。スワールコントロールバルブ３０に代え、図７に示すように他方の分岐路８ｂをヘリカルポート状に形成してスワール流３１を形成してもよい。以上のようにしてスワール流３１を形成した場合には、吸気行程で噴射される水素と、ガソリン及び空気とが効率よく混合されて水素の分布がより均質化される。
【００３９】
スワール流３１を形成する場合においては、図８に示すようにピストン４のキャビティ４ｂをスワール流３１の方向に沿って湾曲させてもよい。この場合にはキャビティ４ｂに沿って点火プラグ１２の付近に案内される水素流２０がスワール流３１に沿って流れるので、シリンダ３内の気流に逆らって水素を噴射する必要がない。従って、水素の噴射圧を低下させることができる。圧縮行程では筒内圧が上昇しているので、水素の圧力もそれに応じて高める必要があり、例えば第２回目噴射期間の筒内圧が２〜３ＭＰａ程度であれば、少なくとも１ＭＰａ以上高い圧力で水素を噴射する必要があると考えられる。しかし、キャビティ４ｂを図８のように形成すれば、筒内圧に対して１ＭＰａを超えない小さい範囲で水素の圧力を高めるだけでよいと考えられる。なお、スワール流に代え、又は追加してタンブル流を形成してガソリン、水素及び空気の混合を促進してもよい。
【００４０】
本発明はシリンダ内に直接燃料を噴射する筒内噴射式の内燃機関に対しても適用可能である。特に均質燃焼時に本発明を利用すれば、均質燃焼時のリーンリミットを拡大することができる。なお、ガソリン燃料を筒内に噴射する内燃機関においては、吸気行程で燃料を噴射して燃料混合気を筒内に均質に拡散させる均質燃焼と、圧縮行程で燃料を噴射して点火プラグの付近に燃料混合気を集中させる成層燃焼とを使い分けており、それらの燃焼モードの境界付近では、両者間の移行を円滑化するために吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ燃料を噴射することもある。しかし、本発明はあくまで均質燃焼を実現するために気体燃料を吸気行程及び圧縮行程のそれぞれで噴射するものであり、ガソリン燃料の２回噴射とはその目的も作用も全く異なるものである。
【００４１】
なお、本発明において、主燃料はガソリンに限らず、内燃機関において燃焼混合気を形成するために使用される各種の燃料を主燃料として使用できる。気体燃料はその主燃料の着火性や火炎伝播特性を改善できる作用を有していれば使用できる可能性があり、主燃料との混合によって不所望の反応を生じないものであれば水素に限らず各種の気体燃料を使用してよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の気体燃料添加方法及び装置によれば、吸気行程と圧縮行程のそれぞれで気体燃料を添加するようにしたので、燃焼室の膨張に伴って主燃料や空気と気体燃料とを十分に混合して筒内に満遍なく気体燃料を分散させて火炎伝播特性を向上させるとともに、圧縮行程中の筒内に部分的に気体燃料の濃度が高い領域を形成して燃料混合気の着火性を向上させることができる。すなわち、本発明によれば、着火を含む初期燃焼と、火炎伝播を主体とする後期燃焼とのいずれに対しても気体燃料を有効に作用させることができる。従って、主燃料に対する空気量を増加させてリーンリミットを拡大し、それにより熱効率の向上と排気の改善、特にＮＯｘの生成量の削減とを図ることができる。リーンリミットの拡大により燃焼時の筒内温度を十分に低下させてＮＯｘ生成量をほぼ０まで低下させることも不可能ではなく、その場合にはＮＯｘ吸蔵触媒をも不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の気体燃料添加装置が組み込まれた内燃機関の要部を示す図。
【図２】ピストンの頂面に形成されたキャビティを示す図。
【図３】燃料噴射時期、水素噴射時期及び点火時期と、吸排気バルブの開弁時期と、筒内圧とをクランク角と対応付けて示したタイミングチャート。
【図４】本発明に従って筒内に水素が噴射される様子を示す図。
【図５】水素の噴射方向を変更した例を示す図。
【図６】スワール流を形成する例を示す図。
【図７】スワール流を形成する他の例を示す図。
【図８】スワール流に合わせてピストンのキャビティを湾曲させた例を示す図。
【符号の説明】
１　内燃機関
２　燃焼室
３　シリンダ
４　ピストン
４ａ　ピストンの頂面
４ｂ　ピストンのキャビティ（案内部）
５　シリンダヘッド
６　吸気バルブ
７　排気バルブ
８　吸気ポート
８ｂ　分岐路（吸気流動形成手段）
９　排気ポート
１０　燃料噴射弁
１２　点火プラグ
１３　水素噴射弁（気体燃料添加手段）
１６　エンジンコントロールユニット（添加制御手段、燃料供給制御手段）
２０　水素流
３０　スワールコントロールバルブ（吸気流動形成手段）
３１　スワール流（吸気流動）
【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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