(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス燃料による運転が可能なガス燃料内燃機関において、
燃焼室内に直接ガス燃料を噴射する筒内噴射弁と、
前記筒内噴射弁から噴射されるガス燃料の噴流の方向に配置された着火装置と、
前記着火装置の作動タイミング及び前記筒内噴射弁の作動タイミングを制御することで、前記筒内噴射弁から噴射されるガス燃料の燃焼形態を予混合燃焼から拡散燃焼へ、或いは拡散燃焼から予混合燃焼へ切り替え可能な制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記内燃機関が所定の運転領域で運転されるときには、前記内燃機関の運転方法としてガス燃料をリーン空燃比で予混合燃焼させる希薄予混合燃焼運転を選択し、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷側の運転領域で運転されるときには、前記内燃機関の運転方法を前記希薄予混合燃焼運転からガス燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼運転へ切り替え、また、
前記制御手段は、前記希薄予混合燃焼運転を行う運転領域のうち低負荷側の運転領域では、吸気バルブが閉じる前に前記筒内噴射弁からガス燃料を噴射し、高負荷側の運転領域では、前記吸気バルブが閉じた直後に前記筒内噴射弁からガス燃料を噴射することを特徴とするガス燃料内燃機関。
【請求項２】
前記内燃機関はガス燃料として水素ガスを使用する水素内燃機関であることを特徴とする請求項１記載のガス燃料内燃機関。
【請求項３】
前記制御手段は、空気過剰率を略２以上に保つことができる運転領域では前記希薄予混合燃焼運転を選択し、前記空気過剰率を略２以上に保つことができない運転領域では前記拡散燃焼運転を選択することを特徴とする請求項２記載のガス燃料内燃機関。
【請求項４】
空気過剰率を取得する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記希薄予混合燃焼運転の実行時に前記空気過剰率が所定の基準値を下回ったときには、前記内燃機関の運転方法を前記希薄予混合燃焼運転から前記拡散燃焼運転に切り替えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のガス燃料内燃機関。
【請求項５】
燃焼室内のガス圧の上昇率を取得する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記希薄予混合燃焼運転の実行時に前記上昇率が所定の基準値を上回ったときには、前記内燃機関の運転方法を前記希薄予混合燃焼運転から前記拡散燃焼運転に切り替えることを特徴とする請求項４記載のガス燃料内燃機関。
【請求項６】
前記制御手段は、前記拡散燃焼運転の実行時、要求負荷から決まる量のガス燃料の一部をパイロット噴射し、パイロット噴射されたガス燃料が空気と混合した雰囲気中で拡散燃焼のためのメイン噴射を行うことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のガス燃料内燃機関。
【請求項７】
前記制御手段は、パイロット噴射の実行後、メイン噴射に先立って前記着火装置を作動させることを特徴とする請求項６記載のガス燃料内燃機関。
【請求項８】
前記制御手段は、前記拡散燃焼運転の実行時、ガス燃料の噴射期間に応じてガス燃料の噴射中に前記着火装置を追加作動させることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のガス燃料内燃機関。
【請求項９】
前記筒内噴射弁から噴射されるガス燃料の噴流に沿って複数の着火装置が配置され、
前記制御手段は、前記拡散燃焼運転の実行時、前記複数の着火装置を同時に或いは前記筒内噴射弁に近い順に位相差をつけて作動させることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のガス燃料内燃機関。
【請求項１０】
前記筒内噴射弁は複数方向にガス燃料を噴射可能に構成され、
前記着火装置は前記筒内噴射弁の各噴射方向に配置されていることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載のガス燃料内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素等のガス燃料による運転が可能なガス燃料内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されているように、内燃機関の燃料としてガス燃料である水素を使用することが知られている。水素は、その可燃範囲が体積割合で４〜７５％とかなり広く、空気過剰率λが４以上程度の極めて薄い混合気でも十分に燃焼させることができる。このため、水素を内燃機関の燃料として利用する場合には、極めてリーンな空燃比でも動力を取り出すことができ、いわゆる超リーンバーン運転が可能となる。
【０００３】
超リーンバーン運転によれば、スロットルを略全開にできるのでポンプ損失を低減することができ、また、燃焼温度が低下することから冷却損失も低減することができる。ポンプ損失及び冷却損失の低減によって内燃機関の効率は向上し、燃費に優れた高効率での運転が可能になる。さらに、燃焼温度の低下によってＮＯｘの発生量を略ゼロまで抑制することができ、また、水素を燃料とすることでＣＯ2やＣＯの発生も無い。したがって、水素を用いた超リーンバーン運転によれば、完全なゼロエミッションの実現も可能になる。
【特許文献１】特開平６−８８５４２号公報
【特許文献２】特開２００４−７６６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、水素を燃料とする超リーンバーン運転は、高負荷域での実現が難しい。高負荷域では、出力を得るために燃料である水素を増量せざるを得ないが、吸入できる空気量には限界がある。このため、高負荷域では水素量に対して吸入空気量が不足し、超リーン空燃比を維持することができなくなる。
【０００５】
空燃比は内燃機関の効率やエミッションに大きく影響する。図３２のグラフは横軸に空気過剰率λ、縦軸に熱効率及び冷却損失をとったものであり、λが内燃機関の熱効率に与える影響について示している。このグラフに示すように、λが小さくなるほど冷却損失は増大していき、特に、λが２よりも小さくなると冷却損失は急激に増大する。その結果、内燃機関の熱効率はλが２のあたりで最大になり、λが２よりも小さい領域ではλが小さくなるほど熱効率は低下していく。
【０００６】
図３３のグラフは横軸に空気過剰率λ、縦軸にＮＯｘ排出量をとったものであり、水素を燃料とする場合とガソリンを燃料とする場合とでλに対するＮＯｘ排出量の変化を比較して示している。このグラフに示すように、水素を燃料とする場合にはλが２よりも大きければＮＯｘ排出量は略ゼロに抑えられている。しかし、λが２よりも小さくなると水素を燃料とする場合のＮＯｘ排出量は急増し、ガソリンを燃料とする場合よりもかえってＮＯｘ排出量が多くなってしまう。
【０００７】
このように、水素を燃料とする内燃機関（水素内燃機関）は、基本的にλが２より大きければ高効率且つ低エミッションを実現できるものの、λが２よりも小さくなると効率の低下やＮＯｘの急増が問題となる。これは、水素の燃焼速度がガソリン等の炭化水素燃料と比較すると数倍（１０倍弱）程度大きく、空燃比が理論空燃比（つまりλ＝１）に近づくと燃焼が急激になりすぎるためである。図３４に示すグラフは横軸にクランク角度、縦軸に熱発生率をとったものであり、λ＝１の場合とλ＝２の場合とで熱発生率の変化を比較して示している。このグラフに示すように、λ＝２では熱発生率はなだらかに上昇してそのピークは低いのに対し、λ＝１では熱発生率の上昇は急激でありそのピークは高くなる。この熱発生率のピークが高いほど、燃焼室内での混合気の燃焼は激しくなる。
【０００８】
燃焼が急激になると筒内の燃焼温度が高くなる。その結果、上述のように冷却損失が増加するだけでなく、ＮＯｘ排出量も急増する。また、実際には、筒内圧力の上昇率も非常に大きくなるため、燃焼音の発生や内燃機関本体へのダメージも顕在化してくる。これらの要因により、従来の水素内燃機関では高負荷域での運転が困難になっていた。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低負荷域から高負荷域までの広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現できるようにしたガス燃料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】
【００１０】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガス燃料による運転が可能なガス燃料内燃機関において、
燃焼室内に直接ガス燃料を噴射する筒内噴射弁と、
前記筒内噴射弁から噴射されるガス燃料の噴流の方向に配置された着火装置と、
前記着火装置の作動タイミング及び前記筒内噴射弁の作動タイミングを制御することで、前記筒内噴射弁から噴射されるガス燃料の燃焼形態を予混合燃焼から拡散燃焼へ、或いは拡散燃焼から予混合燃焼へ切り替え可能な制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記内燃機関が所定の運転領域で運転されるときには、前記内燃機関の運転方法としてガス燃料をリーン空燃比で予混合燃焼させる希薄予混合燃焼運転を選択し、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷側の運転領域で運転されるときには、前記内燃機関の運転方法を前記希薄予混合燃焼運転からガス燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼運転へ切り替えることを特徴としている。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関はガス燃料として水素ガスを使用する水素内燃機関であることを特徴としている。
【００１２】
第３の発明は、第２の発明において、
前記制御手段は、空気過剰率を略２以上に保つことができる運転領域では前記希薄予混合燃焼運転を選択し、前記空気過剰率を略２以上に保つことができない運転領域では前記拡散燃焼運転を選択することを特徴としている。
【００１３】
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
空気過剰率を取得する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記希薄予混合燃焼運転の実行時に前記空気過剰率が所定の基準値を下回ったときには、前記内燃機関の運転方法を前記希薄予混合燃焼運転から前記拡散燃焼運転に切り替えることを特徴としている。
【００１４】
第５の発明は、第４の発明において、
燃焼室内のガス圧の上昇率を取得する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記希薄予混合燃焼運転の実行時に前記上昇率が所定の基準値を上回ったときには、前記内燃機関の運転方法を前記希薄予混合燃焼運転から前記拡散燃焼運転に切り替えることを特徴としている。
【００１５】
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記制御手段は、前記拡散燃焼運転の実行時、要求負荷から決まる量のガス燃料の一部をパイロット噴射し、パイロット噴射されたガス燃料が空気と混合した雰囲気中で拡散燃焼のためのメイン噴射を行うことを特徴としている。
【００１６】
第７の発明は、第６の発明において、
前記制御手段は、パイロット噴射の実行後、メイン噴射に先立って前記着火装置を作動させることを特徴としている。
【００１７】
第８の発明は、第１乃至第７の何れか１つの発明において、
前記制御手段は、前記拡散燃焼運転の実行時、ガス燃料の噴射期間に応じてガス燃料の噴射中に前記着火装置を追加作動させることを特徴としている。
【００１８】
第９の発明は、第１乃至第８の何れか１つの発明において、
前記筒内噴射弁から噴射されるガス燃料の噴流に沿って複数の着火装置が配置され、
前記制御手段は、前記拡散燃焼運転の実行時、前記複数の着火装置を同時に或いは前記筒内噴射弁に近い順に位相差をつけて作動させることを特徴としている。
【００１９】
第１０の発明は、第１乃至第９の何れか１つの発明において、
前記筒内噴射弁は複数方向にガス燃料を噴射可能に構成され、
前記着火装置は前記筒内噴射弁の各噴射方向に配置されていることを特徴としている。
【００２０】
第１１の発明は、第１乃至第１０の何れか１つの発明において、
前記制御手段は、前記希薄予混合燃焼運転を行う運転領域のうち低負荷側の運転領域では、吸気バルブが閉じる前に前記筒内噴射弁からガス燃料を噴射し、高負荷側の運転領域では、前記吸気バルブが閉じた直後に前記筒内噴射弁からガス燃料を噴射することを特徴としている。
【００２１】
第１２の発明は、第１乃至第１０の何れか１つの発明において、
吸気ポートにガス燃料を噴射するポート噴射弁をさらに備え、
前記制御手段は、前記希薄予混合燃焼運転を行う運転領域のうち低負荷側の運転領域では、吸気バルブが閉じる前に前記ポート噴射弁からガス燃料を噴射し、高負荷側の運転領域では、前記吸気バルブが閉じた直後に前記筒内噴射弁からガス燃料を噴射することを特徴としている。
【００２２】
第１３の発明は、第１１又は第１２の発明において、
前記制御手段は、前記希薄予混合燃焼運転を行う運転領域のうち極低負荷域では、前記筒内噴射弁により圧縮行程中にガス燃料を噴射することでガス燃料を成層燃焼させ、前記極低負荷域を超える運転領域では、吸気行程中若しくは圧縮行程初期にガス燃料を噴射することでガス燃料を均質燃焼させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
筒内噴射弁から噴射されたガス燃料の噴流の方向に着火装置を配置すれば、ガス燃料の噴流に直接着火することができる。そして、着火により形成された火炎（火種）に次々とガス燃料を噴射していくことで、ガス燃料を拡散燃焼させることができる。また、筒内噴射弁から噴射されたガス燃料が空気と十分に混合してからその混合気に着火することで、ガス燃料を予混合燃焼させることができる。
【００２４】
第１の発明によれば、内燃機関が高負荷域で運転されるときには予混合燃焼による運転から拡散燃焼による運転に切り替えることで、ガス燃料を緩慢に燃焼させることができ、空燃比が理論空燃比に近づくことに伴う燃焼の激化を回避することが可能になる。急激な燃焼を回避できることで筒内温度の上昇も抑制され、冷却損失の増大やＮＯｘ排出量の増大も抑制される。したがって、低負荷域及び中負荷域では希薄予混合燃焼運転を行い、高負荷域では拡散燃焼運転を行うことで、広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することが可能になる。
【００２５】
第２の発明によれば、ガス燃料として水素ガスを使用することでＣＯ2やＣＯの発生を無くすことができ、ゼロエミッションの実現が可能になる。また、水素は燃焼速度が速いために空燃比が理論空燃比に近づいたときの燃焼は特に急激であるが、上述のように、高負荷域では拡散燃焼運転に切り替えられることで、急激な燃焼に伴う効率の低下やエミッションの悪化は抑制することができる。
【００２６】
水素の燃焼は、具体的には、空気過剰率が２よりも小さくなると急激になり、それに伴って希薄予混合燃焼運転時の効率の低下やエミッションの悪化が顕著になる。第３の発明によれば、空気過剰率を略２以上に保つことができる運転領域では希薄予混合燃焼運転を行い、空気過剰率を略２以上に保つことができない運転領域では拡散燃焼運転に切り替えることで、低負荷域から高負荷域まで広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することが可能になる。
【００２７】
上記のように、水素内燃機関を代表とするガス燃料内燃機関においては、空気過剰率が効率やエミッションに大きく影響し、空気過剰率が小さくなりすぎると効率の低下やエミッションの悪化が顕著になる。第４の発明によれば、希薄予混合燃焼運転時の実際の空気過剰率を基準値と比較し、空気過剰率が基準値を下回ったときには希薄予混合燃焼運転から拡散燃焼運転に切り替えることで、急激な燃焼に伴う効率の低下やエミッションの悪化を確実に回避することができる。
【００２８】
また、内燃機関の運転環境や運転条件によっては、空気過剰率が基準値を下回っていない場合でもガス燃料の燃焼が急激になる可能性がある。燃焼が急激になって筒内の燃焼温度が高くなると、燃焼室内のガス圧（筒内圧）の上昇率も非常に大きくなる。第５の発明によれば、希薄予混合燃焼運転時の筒内圧の上昇率を基準値と比較し、上昇率が基準値を上回ったときには希薄予混合燃焼運転から拡散燃焼運転に切り替えることで、急激な燃焼に伴う効率の低下やエミッションの悪化をより確実に回避することができる。
【００２９】
内燃機関の運転方法として拡散燃焼運転が選択される場合、短くとも筒内噴射弁からガス燃料が噴射されている期間が燃焼期間となるため、燃焼期間は自ずと長くなる。特に、負荷が高いほど、燃料噴射量の増大に応じて燃焼期間は長大化する。燃焼期間の長大化は理想的な燃焼を困難にし、また、排気損失を増大させてしまう。第６の発明によれば、拡散燃焼のためのメイン噴射に先立ってガス燃料の一部をパイロット噴射することで、その分、メイン噴射の噴射期間を短くすることができ、燃焼期間の長大化を回避することできる。
【００３０】
また、第７の発明によれば、パイロット噴射の実行後、メイン噴射に先立って着火装置を作動させることで、パイロット噴射されたガス燃料と空気の混合気に着火してそれを拡散燃焼の火種にすることができる。これにより、メイン噴射時の筒内温度を高めてメイン噴射されたガス燃料への着火をより確実にし、未燃のまま排出されるガス燃料の量を低減することができる。また、一部の燃料を拡散燃焼に先立って燃焼させておくことで、拡散燃焼時の筒内圧力の上昇を抑えることもできる。
【００３１】
拡散燃焼運転の実行時、未燃のまま排出されてしまうガス燃料の量は、ガス燃料の噴射量が多いほど、つまり、噴射期間が長いほど多くなる。第８の発明によれば、ガス燃料の噴射期間に応じて噴射期間中に着火装置を追加作動させることで、ガス燃料への着火をより確実にし、未燃のまま排出されるガス燃料の量を低減することができる。
【００３２】
また、第９の発明によれば、ガス燃料の噴流に沿って複数の着火装置を配置することで、噴流の上流側の着火装置では着火できなかったガス燃料を下流側の着火装置を用いて着火することができる。これにより、ガス燃料への着火をより確実にし、未燃のまま排出されるガス燃料の量を低減することができる。
【００３３】
第１０の発明によれば、筒内噴射弁からのガス燃料の噴射方法を複数方向とし、燃焼室内の複数箇所で拡散燃焼を生じさせることで、一方向あたりの噴射量を少なくすることができる。これにより、ガス燃料への着火をより確実にし、未燃のまま排出されるガス燃料の量を低減することができる。
【００３４】
なお、ガス燃料と空気との混合気を希薄燃焼させる場合、混合気の濃度はできるかぎり均一な方が好ましい。そのためには、ガス燃料と空気との混合時間を十分に確保するために吸気行程中にガス燃料を噴射するのが望ましい。しかし、ガス燃料は体積が大きいため、内燃機関の負荷が大きくなってガス燃料の噴射量が増大すれば、それに伴って燃焼室内に吸入できる空気量は減少し、その結果、空気過剰率を高く保つことができなくなる。
【００３５】
この点に関し、第１１の発明によれば、吸入空気量を十分に確保できる低負荷側の運転領域では、吸気バルブの閉弁前にガス燃料を噴射することでガス燃料と空気との混合時間を十分に確保することができる。一方、吸入空気量の不足が心配される高負荷側の運転領域では、吸気バルブが閉じた直後にガス燃料を噴射することで、ガス燃料によって燃焼室内への空気の吸入が妨げられることを防止しつつ、ガス燃料と空気との混合時間を確保することができる。これにより、希薄燃焼による運転が可能な運転領域を高負荷側に拡大することができ、希薄予混合燃焼運転によるメリットをより広い運転領域で享受することが可能になる。
【００３６】
また、第１２の発明によれば、第１１の発明による効果に加え、吸気バルブの閉弁前のガス燃料の噴射においてポート噴射弁を用いることで、筒内噴射弁を用いる場合に比較してガス燃料と空気との混合時間をより長く確保することができ、より均質な混合気を得ることができる。
【００３７】
さらに、第１３の発明によれば、極低負荷域では筒内噴射弁により圧縮行程中にガス燃料を噴射して成層燃焼させることで、ガス燃料を均質燃焼させる場合に比較してさらなる燃費の向上を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
実施の形態１．
以下、図１乃至図１３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
【００３９】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。図１は本実施の形態の水素エンジンの概略構成を示す図である。この水素エンジンは、内部にピストン８が配置されたシリンダブロック６と、シリンダブロック６に組み付けられたシリンダヘッド４を備えている。シリンダブロック６及びシリンダヘッド４の内壁とピストン８の上面とで囲まれる空間は燃焼室１０を形成している。なお、図では一つの燃焼室１０のみを示しているが、水素エンジンは複数の燃焼室１０を有する多気筒エンジンとして構成されている。
【００４０】
燃焼室１０には空気を燃焼室１０内に導入するための吸気通路２０が接続されている。吸気通路２０の上流端にはエアクリーナ２２が設けられ、空気はエアクリーナ２２を介して吸気通路２０内に取り込まれる。吸気通路２０には燃焼室１０へ吸入される空気量を調整するためのスロットル２４が配置されている。吸気通路２０のスロットル２４の上流には、吸入空気量を測定するためのエアフローメータ７２が取り付けられている。吸気通路２０と燃焼室１０との接続部には、吸気通路２０と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気バルブ１２が設けられている。
【００４１】
また、燃焼室１０には燃焼室１０内の燃焼ガスを排出するための排気通路３０が接続されている。排気通路３０には浄化触媒３２が配置され、排気ガスは浄化触媒３２によって浄化されてから大気中に排出される。浄化触媒３２の上流には、排気ガス中の酸素濃度を測定するＯ2センサ７８が取り付けられている。排気通路３０と燃焼室１０との接続部には、排気通路３０と燃焼室１０との連通状態を制御する排気バルブ１４が設けられている。
【００４２】
燃焼室１０内には筒内噴射弁４０と点火プラグ１６とが配置されている。筒内噴射弁４０は水素供給管４６を介して水素供給装置４２に接続されている。水素供給装置４２の具体例としては水素を蓄えた高圧タンク、炭化水素系燃料を改質して水素を生成する改質器、或いは、メタルハイドライド等の水素吸蔵手段を挙げることができる。本実施の形態の水素エンジンにおいては水素供給装置４２の種類には限定はない。水素供給管４６には筒内噴射弁４０に水素を圧送するポンプ４４が配置されている。ポンプ４４は、圧縮ＴＤＣ付近でも十分に噴射できる圧力まで水素を圧縮している。なお、水素供給装置４２として高圧水素タンクを用いる場合であって、その貯蔵圧が噴射圧よりも高い場合には、ポンプ４４の代わりにレギュレータを用いてもよい。
【００４３】
また、この水素エンジンには、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０が備えられている。ＥＣＵ７０の出力部には前述の筒内噴射弁４０，点火プラグ１６，スロットル２４等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ７０の入力部には前述のエアフローメータ７２，Ｏ2センサ７８の他、クランク角センサ７４やノックセンサ７６等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ７０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムに従って各機器を駆動するようになっている。
【００４４】
次に、本実施の形態の水素エンジンの要部について説明する。図２は、本実施の形態の水素エンジンにおける燃焼室１０の周辺の構成を拡大して示す図である。この図に示すように、点火プラグ１６は燃焼室１０の頂部に配置されている。筒内噴射弁４０は燃焼室１０の側壁部に配置され、点火プラグ１６に向けて水素が噴射されるよう噴射口の向きが調整されている。水素のようなガス燃料は空気と混合しにくく、筒内噴射弁４０から噴射された水素は噴流を形成する。なお、筒内噴射弁４０及び点火プラグ１６の配置は図３に示す構成のようにしてもよい。この構成では、筒内噴射弁４０は点火プラグ１６とともに燃焼室１０の頂部に配置されている。そして、水素の噴流が点火プラグ１６の先端を通過するように筒内噴射弁４０の噴射口の向きが調整されている。
【００４５】
図２或いは図３に示す構成によれば、筒内噴射弁４０からの水素の噴射途中に点火プラグ１６を点火することで、水素の噴流に直接着火することができる。この場合、水素の噴射時期は圧縮ＴＤＣ前数度から圧縮ＴＤＣ後数度の範囲とし、点火プラグ１６の点火時期は水素の噴射時期と同時若しくは若干遅角側とする。これによれば、水素の噴流中で点火プラグ１６を点火することになるが、水素の可燃範囲は体積割合で４〜７５％と広く極めてリッチな雰囲気下でも着火する。水素の着火により火炎（火種）が形成され、この火炎に次々と水素を噴射していくことで、水素は空気と拡散混合しながら燃焼することになる。つまり、本実施の形態の水素エンジンによれば、水素の燃焼形態として拡散燃焼を選択することができる。なお、水素それ自体は自着火しにくく本来は拡散燃焼には不向きではあるが、本実施の形態では点火プラグ１６による点火によって水素の拡散燃焼がアシストされるので、以下ではプラグアシスト水素拡散燃焼という表現を用いることとする。
【００４６】
本実施の形態の水素エンジンは、水素の燃焼形態として、拡散燃焼だけでなく一般的な内燃機関と同様の予混合燃焼も選択することができる。具体的には、筒内噴射弁４０から噴射した水素が空気と十分に混合した後に点火プラグ１６を点火し、水素と空気の混合気に着火することで予混合燃焼を実現することができる。このときの混合気の空燃比はストイキよりもかなりリーンに設定することができる。前述のように水素の可燃範囲は体積割合で４〜７５％と広いからである。本実施の形態の水素エンジンによれば、水素をリーン空燃比で予混合燃焼させる運転、つまり、希薄予混合燃焼運転が可能である。
【００４７】
なお、水素をリーン空燃比で予混合燃焼させる場合、混合気の濃度はできるかぎり均一な方が好ましい。そのためには、水素と空気との混合時間を十分に確保する必要がある。本実施の形態の水素エンジンによれば、吸気行程中の水素噴射によって燃焼室１０内で水素が空気と均質に混合する時間を確保することが可能であり、水素を均質燃焼させることができる。以下、水素のリーン空燃比での均質燃焼を水素均質リーンバーン、或いは、単に均質リーンバーンという。
【００４８】
水素均質リーンバーンによれば、ポンプ損失及び冷却損失の低減によって燃費に優れた高効率での運転が可能であり、また、燃焼温度の低下によってＮＯｘの発生量を略ゼロまで抑制することができる。ただし、これは、比較的に低中負荷域で運転される場合であり、エンジン負荷がある程度大きくなってくると水素均質リーンバーンを行う利点は薄れてくる。水素は体積が大きいため、エンジン負荷が大きくなって水素噴射量が増大すれば、それに伴って燃焼室１０内に吸入できる空気量は減少し、その結果、空気過剰率λを高く保つことができなくなるからである。「発明が解決しようとする課題」の欄でも説明したように（図３２乃至図３４参照）、λが２よりも小さくなると冷却損失の増大が顕著になり、また、ＮＯｘの発生量も急増する。
【００４９】
水素均質リーンバーンによるメリットをより広い運転領域で享受するためには、水素噴射量の増大に伴うλの低下を抑える必要がある。そこで、本実施の形態の水素エンジンでは、水素均質リーンバーンを行う運転領域のうちλが十分に大きい低負荷側の運転領域では、上述のように吸気行程中の水素噴射、より具体的には吸気バルブ１２が閉じる前の水素噴射を行い、水素と空気との混合時間を十分に確保するようにしている。そして、吸気行程中の水素噴射ではλを２以上に維持できない高負荷側の運転領域では、吸気バルブ１２が閉じた直後、すなわち、圧縮行程初期に筒内噴射弁４０から水素を噴射するようにしている。以下では、特に区別する必要がある場合、前者の水素噴射の形態を吸気行程噴射といい、後者の水素噴射の形態を吸気バルブ閉後噴射という。
【００５０】
図４は本実施の形態の水素エンジンの運転方法を選択するためのマップを示している。このマップはエンジン負荷とエンジン回転数を軸とする多次元マップである。上述の通り、水素均質リーンバーンによる運転が選択される運転領域のうち高負荷側の運転領域では吸気バルブ閉後噴射が選択されるよう、このマップは作成されている。このマップにおいて吸気バルブ閉後噴射が選択される運転領域は吸気行程噴射ではλを２以上に維持できない運転領域を意味しており、それよりも低負荷側の運転領域では吸気行程噴射が選択される。
【００５１】
図５のタイミングチャートは、水素均質リーンバーンによる運転時の噴射時期を筒内圧力の波形に併せて具体的に示したものである。この図に示すように、比較的低負荷域で選択される吸気行程噴射では、吸気バルブ１２の閉弁時点（筒内圧力の立ち上がり時点）よりも進角側に噴射時期が設定される。そして、比較的高負荷域で選択される吸気バルブ閉後噴射では、吸気バルブ１２の閉弁時点よりも遅角側に噴射時期が設定される。なお、図示は省略するが、点火時期は一般的なガソリンエンジンと同様に圧縮ＴＤＣ直前に設定されている。
【００５２】
吸気バルブ閉後噴射によれば、水素によって燃焼室１０内への空気の吸入が妨げられることを防止することでき、燃焼室１０一杯に空気を吸入することが可能になる。また、水素噴射を吸気バルブ１２の閉弁後直ぐに開始することで、水素と空気との混合時間を確保することができる。これにより、吸気行程噴射ではλを２以上に維持できない運転領域でも、λを２以上に維持しつつ水素均質リーンバーンによる運転が行えるようになる。
【００５３】
しかしながら、吸気バルブ閉後噴射であってもλを２以上に維持可能な運転領域には限界がある。エンジン負荷に応じて水素噴射量は増大するのに対し吸入空気量には限界があるため、エンジン負荷がある程度の高負荷域に達した場合には、もはやλを２以上に維持することはできない。そこで、本実施の形態の水素エンジンでは、図４のマップにも示すように、吸気バルブ閉後噴射であってもλを２以上に維持できない程の高負荷域では、運転方法を水素均質リーンバーンによる運転から前述のプラグアシスト水素拡散燃焼による運転へ切り替えるようにしている。
【００５４】
図６のタイミングチャートは、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転時の噴射時期及び点火時期を筒内圧力の波形に併せて具体的に示したものである。この図に示すように、プラグアシスト水素拡散燃焼では、圧縮ＴＤＣを跨ぐようにして噴射時期が設定され、水素の噴射開始と同時若しくは若干遅角側に点火時期が設定される。
【００５５】
以下では、図８乃至図１３を参照し、図４のマップに従いエンジン負荷に応じて運転方法を切り替えることの利点、特に、水素均質リーンバーンによる運転からプラグアシスト水素拡散燃焼による運転に切り替えることの利点について説明する。
【００５６】
図８は水素エンジンにおけるクランク角に対する筒内圧力の変化を示すグラフである。このグラフにおいて、実線はλ＝２の条件で水素均質リーンバーンによる運転を行ったときの筒内圧力の変化を示し、一点鎖線はλ＝１．５の条件で水素均質リーンバーンによる運転を行ったときの筒内圧力の変化を示している。グラフに示すように、水素均質リーンバーンによる運転の場合には、λが２よりも小さくなると筒内圧力が急激に高くなってしまう。これは、水素の燃焼速度が極めて大きく、空燃比が理論空燃比に近づくと燃焼が急激になるためである。
【００５７】
水素が急激に燃焼する場合、クランク角に対する熱発生率の変化が急になり、且つ、そのピークも上昇する。図９は水素エンジンにおけるクランク角に対する熱発生率の変化を示すグラフである。実線はλ＝２の条件で水素均質リーンバーンによる運転を行ったときの熱発生率の変化を示し、一点鎖線はλ＝１．５の条件で水素均質リーンバーンによる運転を行ったときの熱発生率の変化を示している。このグラフからも分かるように、λが２よりも小さくなると（グラフではλ＝１．５の場合）、水素は極めて短い期間内で急激に燃焼することになる。
【００５８】
図８のグラフにおいて、破線はλ＝１．５の条件でプラグアシスト水素拡散燃焼による運転を行ったときの筒内圧力の変化を示している。同じくλ＝１．５の条件で水素均質リーンバーンによる運転を行った場合と比較すると、プラグアシスト水素拡散燃焼によれば筒内圧力のピークを大きく下げることができる。これは、プラグアシスト水素拡散燃焼によれば予混合燃焼よりも燃料である水素を緩慢に燃焼させ、燃焼温度の上昇を抑制することができるからである。図９のグラフにおいて、破線はλ＝１．５の条件でプラグアシスト水素拡散燃焼による運転を行ったときの熱発生率の変化を示している。同じくλ＝１．５の条件で水素均質リーンバーンによる運転を行った場合と比較して明らかなように、プラグアシスト水素拡散燃焼によれば水素の燃焼期間を長くすることができ、且つ、熱発生率のピークも抑えることができる。
【００５９】
以上のように、水素均質リーンバーンのままではλが２よりも小さくなり空燃比が理論空燃比に近づくにつれて燃焼が激化するが、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転に切り替えることで燃焼の激化を回避することができる。急激な燃焼を回避できることで筒内温度の上昇は抑制され、冷却損失の増大が抑制されて正味熱効率は高く維持されるとともに、ＮＯｘ排出量の増大が抑制されることになる。また、筒内圧力のピークが下がることから、燃焼音の発生を防止することができ、且つ、エンジン本体のダメージを軽減することもできる。なお、各運転方法におけるλと正味熱効率との関係は具体的には図１０に示すようになる。また、各運転方法におけるλとＮＯｘ発生量との関係は具体的には図１１に示すようになる。
【００６０】
図１０は、λとエンジンの正味熱効率との関係を運転方法毎にグラフで示したものであり、図１１は、λとＮＯｘ発生量との関係を運転方法毎にグラフで示したものである。各グラフにおいて、吸気行程噴射は実線で、吸気バルブ閉後噴射は一点鎖線で、プラグアシスト水素拡散燃焼は破線で示している。これらのグラフからも分かるように、λが２よりも大きい場合には、燃料を均質に混合することができる吸気行程噴射や吸気バルブ閉後噴射のような水素均質リーンバーンの方が有利であるが、λが２よりも小さい場合には、正味熱効率とＮＯｘ発生量の何れに関してもプラグアシスト水素拡散燃焼の方が有利である。
【００６１】
本実施の形態の水素エンジンでは、図４のマップに従い、エンジン負荷に応じて３つの運転方法を切り替えるようにしている。エンジン負荷と正味熱効率との関係を運転方法毎にグラフで示すと図１２のようになる。また、エンジン負荷とＮＯｘ発生量との関係を運転方法毎にグラフで示すと図１３のようになる。各グラフにおいて、吸気行程噴射は実線で、吸気バルブ閉後噴射は一点鎖線で、プラグアシスト水素拡散燃焼は破線で示している。これらのグラフから分かるように、エンジン負荷が低負荷域にある場合には吸気行程噴射による運転を行い、エンジン負荷がある程度まで高くなってきたら吸気バルブ閉後噴射による運転に切り替えることで、吸気行程噴射のみに頼る場合に比較してより高負荷域まで水素均質リーンバーンを継続することが可能になる。そして、さらにエンジン負荷が高くなったら吸気バルブ閉後噴射による運転からプラグアシスト水素拡散燃焼による運転に切り替えることで、水素均質リーンバーンのみに頼る場合に比較してより高負荷域まで高効率を維持することが可能になり、また、ＮＯｘ発生量を低く抑えることが可能になる。
【００６２】
以上のように、本実施の形態の水素エンジンによれば、図４のマップに従って３つの運転方法、すなわち、吸気行程噴射による運転、吸気バルブ閉後噴射による運転、及びプラグアシスト水素拡散燃焼による運転を切り替えることで、低負荷域から高負荷域までの広い運転領域で高効率を維持することができ、同時にＮＯｘ発生量を低く抑えることもできる。
【００６３】
なお、水素エンジンの運転はＥＣＵ７０によって制御されており、運転方法の切り替えもＥＣＵ７０によって判断されている。本実施の形態の水素エンジンでは、図７のフローチャートに示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。
【００６４】
図７に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、現時点におけるエンジン回転数とアクセル開度が取得される。ＥＣＵ７０は、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷（負荷率）を算出する。
【００６５】
次のステップＳ１０２では、ステップＳ１００で取得したエンジン回転数、及び、ステップＳ１００で計算したエンジン負荷で定まる現在の運転状態が、図４のマップにおけるどの運転領域に属しているか判断される。図４のマップに示すように、エンジンが低負荷域或いは中負荷域で運転されている場合には、水素均質リーンバーンによる運転が選択される（ステップＳ１０４）。一方、エンジンが高負荷域で運転されている場合には、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択される（ステップＳ１１４）。
【００６６】
水素均質リーンバーンによる運転が選択された場合には、再び運転領域について判断される（ステップＳ１０６）。水素均質リーンバーンによる運転が選択される運転領域のうち低負荷側の運転領域、つまり、吸気行程噴射によりλを２以上に維持可能な運転領域でエンジンが運転されている場合は、図５の上段に示すタイミングに水素噴射期間が設定され、吸気行程噴射による水素均質リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１０８）。
【００６７】
一方、水素均質リーンバーンによる運転が選択される運転領域のうち高負荷側の運転領域、つまり、吸気行程噴射ではλを２以上に維持できない運転領域でエンジンが運転されている場合は、水素の噴射時期が遅角化され、図５の下段に示すタイミングに水素噴射期間が設定される（ステップＳ１１０）。そして、吸気バルブ閉後噴射による水素均質リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１１２）。
【００６８】
一方、ステップＳ１０２の判断の結果、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択された場合には、図６に示すようにＴＤＣの前後に水素噴射期間が設定され、また、水素噴射の開始タイミングと略同時に点火プラグ１６が点火される（ステップＳ１１６）。
【００６９】
本実施の形態では、ＥＣＵ７０により図７に示すルーチンが実行されることで、第１及び第３の発明の「制御手段」が実現される。
【００７０】
実施の形態２.
次に、図１４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００７１】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じく、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。図１４は本実施の形態の水素エンジンの概略構成を示す図である。図１４において図１に示す水素エンジンと同一の部位については同一の符号を付している。以下では、実施の形態１と同一の部位についての重複する説明は省略或いは簡略するものとする。
【００７２】
図１４に示すように、本実施形態の水素エンジンは、燃焼室１０内に配置される筒内噴射弁４０に加え、吸気通路２０、より詳しくは吸気ポートに配置されるポート噴射弁５０を備えている。本実施の形態では、水素供給装置４２から延びる水素供給管４６はポンプ４４の下流で二股に分岐し、その一方には筒内噴射弁４０に接続され、もう一方にはポート噴射弁５０に接続されている。ポート噴射弁５０に接続されている水素供給管４６には、水素の圧力を減圧するためのレギュレータ４８が配置されている。ポート噴射弁５０の動作は筒内噴射弁４０と同様にＥＣＵ７０によって制御される。
【００７３】
図１４に示す構成によれば、筒内噴射弁４０を作動させることで燃焼室１０内に直接水素を噴射することができ、ポート噴射弁５０を作動させることで、吸気ポートへ水素を噴射することができる。吸気ポートへの噴射によれば、噴射から燃焼までの時間を確保できる分、燃焼室１０内に直接噴射する場合よりも水素と空気との混合を促進することができる。
【００７４】
本実施の形態の水素エンジンは、実施の形態１と同じく、図４のマップに基づいてエンジンの運転方法が選択され、図７に示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。ただし、吸気ポートへ水素を噴射可能なことから、水素均質リーンバーンのうち吸気行程噴射による運転時には、筒内噴射弁４０ではなくポート噴射弁５０を作動させるようにする。つまり、本実施の形態の水素エンジンでは、吸気行程噴射による運転時にはポート噴射弁５０を使用し、吸気バルブ閉後噴射による運転時とプラグアシスト水素拡散燃焼による運転時には筒内噴射弁４０を使用する。
【００７５】
上記のように運転方法に応じて噴射弁を使い分けることで、吸気行程での水素噴射が可能な運転領域におけるエンジン効率やエミッションをより改善することが可能になる。また、図１に示す構成では水素を常に高圧にしておく必要があるが、水素の増圧に要するエネルギーは大きい。しかし、本実施の形態のようにポート噴射弁５０も使用する場合には中負荷域程度まで水素は低圧でよく、その分、ポンプ４４に供給するエネルギーは少なくて済む。また、図１に示す構成において水素供給装置４２として高圧タンクを用い、ポンプ４４の代わりにレギュレータを用いる場合には、筒内噴射弁４０の噴射圧以下の水素は使用できなくなる。しかし、本実施の形態の構成によれば、ポート噴射弁５０の噴射圧まで水素を減圧することができるので、その分、高圧タンク内の水素を有効利用することが可能になる。
【００７６】
本実施の形態では、図１４に示す構成においてＥＣＵ７０により図７に示すルーチンが実行されることで、第１２の発明の「制御手段」が実現される。
【００７７】
実施の形態３.
次に、図１５を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
【００７８】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じく、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。この水素エンジンは、図１或いは図１４に示す構成を有し、図４のマップに基づいてエンジンの運転方法が選択される。本実施の形態と実施の形態１との相違点は、エンジンの運転方法を切り替えるためのルーチンにある。
【００７９】
本実施の形態では、図１５に示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。図１５において図７に示すルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付している。
【００８０】
図１５に示すルーチンの最初のステップＳ１２０では、現時点におけるエンジン回転数とアクセル開度が取得される。ＥＣＵ７０は、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷（負荷率）を算出する。また、このステップＳ１２０では、現時点における水素供給量と吸入空気量も取得される。水素供給量は水素供給管４６に配置した図示しない水素流量計によって計測することができる。ＥＣＵ７０は、水素供給量と吸入空気量から空気過剰率λを算出する。
【００８１】
次のステップＳ１０２では、現在の運転状態がマップにおけるどの運転領域に属しているか判断される。エンジンが低負荷域或いは中負荷域で運転されている場合には、水素均質リーンバーンによる運転が選択され（ステップＳ１０４）、エンジンが高負荷域で運転されている場合には、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択される（ステップＳ１１４）。
【００８２】
プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択された場合、図６に示すようにＴＤＣの前後に水素噴射期間が設定され、また、水素噴射の開始タイミングと略同時に点火プラグ１６が点火される（ステップＳ１１６）。
【００８３】
ステップＳ１０２の判断の結果、水素均質リーンバーンによる運転が選択された場合には、λが２よりも大きいか否か判定される（ステップＳ１２２）。判定の結果、λが２よりも大きい場合には、図５の上段に示すタイミングに水素噴射期間が設定され、吸気行程噴射による水素均質リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１０８）。
【００８４】
ステップＳ１２２の判定は、エンジンの運転方法として吸気行程噴射が選択されている間、継続して行われている。判定の結果、λが２以下になった場合には、水素の噴射時期が遅角化され、図５の下段に示すタイミングに水素噴射期間が設定される（ステップＳ１１０）。そして、吸気バルブ閉後噴射による水素均質リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１１２）。
【００８５】
また、このルーチンでは、ステップＳ１１２の処理に続き、λが２よりも大きいか否か判定される（ステップＳ１２４）。λが２よりも大きい場合には、吸気バルブ閉後噴射による運転が継続して行われる。ステップＳ１２４の判定は、エンジンの運転方法として吸気バルブ閉後噴射が選択されている間、継続して行われている。判定の結果、λが２以下になった場合にはステップＳ１１４に進み、水素均質リーンバーンによる運転からプラグアシスト水素拡散燃焼による運転へ運転方法の切り替えが行われる。
【００８６】
上記のルーチンによれば、水素均質リーンバーンが選択される運転領域では、実際の空気過剰率λが２よりも大きいか否かによって吸気行程噴射から吸気バルブ閉後噴射への切り替えが行われる。つまり、図４のマップ上では吸気行程噴射の運転領域に属する場合でも、λを２よりも大きく維持できなければ、強制的に吸気バルブ閉後噴射による運転に切り替えられる。これにより、水素均質リーンバーンによる運転時には、常にλを２よりも大きく維持することが可能になる。
【００８７】
また、上記のルーチンによれば、吸気バルブ閉後噴射に切り替えてもλを２よりも大きく維持することができないときには、図４のマップ上では吸気バルブ閉後噴射の運転領域に属する場合でも、強制的にプラグアシスト水素拡散燃焼による運転に切り替えられる。これにより、その時々の環境による微妙な変化（例えば雰囲気や燃圧の変化）に対応することが可能になり、急激な燃焼に伴う効率の低下やエミッションの悪化を確実に回避することができる。
【００８８】
本実施の形態では、ＥＣＵ７０により図１５に示すルーチンが実行されることで、第４の発明の「制御手段」が実現される。
【００８９】
実施の形態４.
次に、図１６を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
【００９０】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じく、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。この水素エンジンは、図１或いは図１４に示す構成を有し、図４のマップに基づいてエンジンの運転方法が選択される。本実施の形態と実施の形態１との相違点は、エンジンの運転方法を切り替えるためのルーチンにある。
【００９１】
本実施の形態では、図１６に示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。図１６において図７或いは図１５に示すルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付している。
【００９２】
図１６に示すルーチンの最初のステップＳ１２０では、現時点におけるエンジン回転数とアクセル開度が取得される。ＥＣＵ７０は、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷（負荷率）を算出する。また、このステップＳ１２０では、現時点における水素供給量と吸入空気量も取得される。ＥＣＵ７０は、水素供給量と吸入空気量から空気過剰率λを算出する。
【００９３】
次のステップＳ１０２では、現在の運転状態がマップにおけるどの運転領域に属しているか判断される。エンジンが低負荷域或いは中負荷域で運転されている場合には、水素均質リーンバーンによる運転が選択され（ステップＳ１０４）、エンジンが高負荷域で運転されている場合には、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択される（ステップＳ１１４）。
【００９４】
プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択された場合、図６に示すようにＴＤＣの前後に水素噴射期間が設定され、また、水素噴射の開始タイミングと略同時に点火プラグ１６が点火される（ステップＳ１１６）。
【００９５】
ステップＳ１０２の判断の結果、水素均質リーンバーンによる運転が選択された場合には、次のステップＳ１２６でλが２よりも大きいか否か判定される。また、このステップＳ１２６では、筒内圧上昇率が所定の基準値よりも小さいか否かも判定される。エンジンの運転環境や運転条件によっては、λが２よりも大きい場合でも水素の燃焼が急激になる可能性がある。燃焼が急激になると筒内圧力が急上昇することから、筒内圧上昇率を測定することで急激な燃焼が起きているか否か判断することができる。上記基準値は急激な燃焼か否かを判定するための判定基準である。なお、筒内圧力は燃焼室１０内に設けた図示しない圧力センサによって測定することができる。また、ノックセンサ７６によってノックの発生が検出されたら、筒内圧上昇率が基準値を超えたものとみなしてもよい。急激な燃焼が起きたときにはノックのような振動が起きるからである。
【００９６】
ステップＳ１２６の判定の結果、λが２よりも大きく、且つ、筒内圧上昇率が基準値よりも小さい場合には、急激な燃焼は起きていないと判断することができる。この場合は、図５の上段に示すタイミングに水素噴射期間が設定され、吸気行程噴射による水素均質リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１０８）。
【００９７】
ステップＳ１２６の判定は、エンジンの運転方法として吸気行程噴射が選択されている間、継続して行われている。判定の結果、λが２以下になった場合、或いは、筒内圧上昇率が基準値以上になった場合には、もはや吸気行程噴射では急激な燃焼を回避できないとみなされる。この場合は、水素の噴射時期が遅角化され、図５の下段に示すタイミングに水素噴射期間が設定される（ステップＳ１１０）。そして、吸気バルブ閉後噴射による水素均質リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１１２）。
【００９８】
また、このルーチンでは、ステップＳ１１２の処理に続き、λが２よりも大きいか否か、また、筒内圧上昇率が基準値よりも小さいか否か判定される（ステップＳ１２８）。λが２よりも大きく、且つ、筒内圧上昇率が基準値よりも小さい場合には、吸気バルブ閉後噴射によって急激な燃焼を抑制できていると判断することができる。したがって、この場合は、吸気バルブ閉後噴射による運転が継続して行われる。
【００９９】
ステップＳ１２８の判定は、エンジンの運転方法として吸気バルブ閉後噴射が選択されている間、継続して行われている。判定の結果、λが２以下になった場合、或いは、筒内圧上昇率が基準値以上になった場合には、もはや吸気バルブ閉後噴射でも急激な燃焼を回避できないとみなされる。この場合は、ステップＳ１１４に進み、水素均質リーンバーンによる運転からプラグアシスト水素拡散燃焼による運転へ運転方法の切り替えが行われる。
【０１００】
上記のルーチンによれば、水素均質リーンバーンが選択される運転領域では、実際の空気過剰率λが２よりも大きいか否か、また、筒内圧上昇率が基準値よりも小さいか否かによって吸気行程噴射から吸気バルブ閉後噴射への切り替えが行われる。つまり、図４のマップ上では吸気行程噴射の運転領域に属する場合でも、λを２よりも大きく維持できなければ、強制的に吸気バルブ閉後噴射による運転に切り替えられる。さらに、λが２よりも大きい場合でも筒内圧上昇率が基準値以上になったときには、強制的に吸気バルブ閉後噴射による運転に切り替えられる。これにより、急激な燃焼が起きることを確実に防止することができる。
【０１０１】
また、上記のルーチンによれば、吸気バルブ閉後噴射に切り替えてもλを２よりも大きく維持することができないとき、或いは、λが２よりも大きいにも関わらず筒内圧上昇率が基準値以上になるときには、図４のマップ上では吸気バルブ閉後噴射の運転領域に属する場合でも、強制的にプラグアシスト水素拡散燃焼による運転に切り替えられる。これにより、その時々の環境による微妙な変化（例えば雰囲気や燃圧の変化）に対応することが可能になり、急激な燃焼に伴う効率の低下やエミッションの悪化を確実に回避することができる。
【０１０２】
本実施の形態では、ＥＣＵ７０により図１６に示すルーチンが実行されることで、第５の発明の「制御手段」が実現される。
【０１０３】
実施の形態５.
次に、図１７乃至図１９を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
【０１０４】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じく、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。この水素エンジンは、図１或いは図１４に示す構成を有している。図１或いは図１４に示す構成によれば、圧縮行程、特に圧縮行程の中後期において筒内噴射弁４０を作動させ水素噴射を行うことで、水素を空気と成層混合、より詳しくはスプレーガイド成層混合させることができる。この成層混合による燃焼、つまり、成層燃焼によれば、均質燃焼の場合よりもさらにリーン空燃比での燃焼が可能になり、さらなる燃費の向上を図ることが可能になる。以下、水素のリーン空燃比での成層燃焼を水素成層リーンバーンという。
【０１０５】
本実施の形態と実施の形態１との相違点は、エンジンの運転方法を選択するためのマップにある。本実施形態では、図１７に示すマップに基づいてエンジンの運転方法が選択される。このマップはエンジン負荷とエンジン回転数を軸とする多次元マップである。図１７のマップと図４のマップとの違いは、水素をリーン空燃比で予混合燃焼させる運転領域のうち極低負荷域では、水素均質リーンバーンではなく水素成層リーンバーンが選択されることにある。ただし、エンジン負荷が高くなって水素噴射量が多くなってくると、噴射期間が長大になるために成層燃焼は物理的に困難になってくる。したがって、エンジン負荷がある程度高い運転領域では、水素成層リーンバーンによる運転は中止され、図４のマップと同様に水素均質リーンバーンによる運転が選択される。
【０１０６】
図１８のタイミングチャートは、水素のリーン空燃比での予混合燃焼、つまり、水素リーンバーンによる運転（希薄予混合燃焼運転）時の噴射時期を筒内圧力の波形に併せて具体的に示したものである。この図において圧縮行程噴射と付記されている噴射期間が水素成層リーンバーンの噴射期間であり、圧縮ＴＤＣよりも３０〜６０°程度進角側に設定されている。図示は省略するが、点火時期はＴＤＣ付近に設定され、水素と空気とが成層混合する時間が確保されている。なお、水素均質リーンバーンが選択されるときの噴射時期は、図５のタイミングチャートの場合と同じであるので、その説明は省略する。
【０１０７】
本実施の形態では、図１９に示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。図１９において図７に示すルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付している。
【０１０８】
図１９に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、現時点におけるエンジン回転数とアクセル開度が取得され、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷（負荷率）が算出される。そして、次のステップＳ１０２では、現在の運転状態がマップにおけるどの運転領域に属しているか判断される。エンジンが低負荷域或いは中負荷域で運転されている場合には、水素リーンバーンによる運転が選択され（ステップＳ１３０）、エンジンが高負荷域で運転されている場合には、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択される（ステップＳ１１４）。
【０１０９】
プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択された場合、図６に示すようにＴＤＣの前後に水素噴射期間が設定され、また、水素噴射の開始タイミングと略同時に点火プラグ１６が点火される（ステップＳ１１６）。
【０１１０】
ステップＳ１３０の判断の結果、水素リーンバーンによる運転が選択された場合には、再び運転領域について判断される（ステップＳ１３２）。水素リーンバーンによる運転が選択される運転領域のうち極低負荷域では、図１８の上段に示すタイミングに水素噴射期間が設定され、圧縮行程噴射による水素成層リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１３４）。
【０１１１】
上記の極低負荷域よりも高負荷側の運転領域では、エンジンの運転方法として水素成層リーンバーンではなく水素均質リーンバーンが選択される。そして、水素均質リーンバーンによる運転が選択される運転領域のうち低負荷側の運転領域、つまり、吸気行程噴射によりλを２以上に維持可能な運転領域でエンジンが運転されている場合は、図１８の中段に示すタイミングに水素噴射期間が設定され、吸気行程噴射による水素均質リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１０８）。
【０１１２】
また、水素均質リーンバーンによる運転が選択される運転領域のうち高負荷側の運転領域、つまり、吸気行程噴射ではλを２以上に維持できない運転領域でエンジンが運転されている場合は、水素の噴射時期が遅角化され、図１８の下段に示すタイミングに水素噴射期間が設定される（ステップＳ１１０）。そして、吸気バルブ閉後噴射による水素均質リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１１２）。
【０１１３】
本実施の形態では、ＥＣＵ７０により図１９に示すルーチンが実行されることで、第１３の発明の「制御手段」が実現される。
【０１１４】
実施の形態６.
次に、図２０乃至図２２を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。
【０１１５】
プラグアシスト水素拡散燃焼による運転では、水素噴射と点火とが略同時であり、はじめに着火した火炎に向かって水素が噴射される。このため、短くとも筒内噴射弁から水素が噴射されている期間が水素の燃焼期間となり、特に高負荷域では、燃料噴射量の増大に応じて燃焼期間の長大化が顕著になる。燃焼期間の長大化は理想的な燃焼を困難にし、また、排気損失を増大させてしまう。
【０１１６】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じく、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。この水素エンジンは、図１或いは図１４に示す構成を有している。図１或いは図１４に示す構成によれば、一サイクル中に筒内噴射弁４０を二回作動させることで、必要量の水素を二回に分けて燃焼室１０内に直接噴射することができる。本実施形態では、この二段噴射をプラグアシスト水素拡散燃焼に適用し、拡散燃焼のためのメイン噴射に先立って水素の一部をパイロット噴射する。これによれば、メイン噴射の噴射期間を短くすることができ、燃焼期間の長大化を回避することできる。以下、上記のようにパイロット噴射を行うプラグアシスト水素拡散燃焼を特にパイロット噴射付プラグアシスト水素拡散燃焼という。
【０１１７】
本実施の形態と実施の形態１との相違点は、エンジンの運転方法を選択するためのマップにある。本実施形態では、図２０に示すマップに基づいてエンジンの運転方法が選択される。このマップはエンジン負荷とエンジン回転数を軸とする多次元マップである。図２０のマップと図４のマップとの違いは、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転領域のうち高負荷側の運転領域では、パイロット噴射付プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択されることにある。
【０１１８】
図２１のタイミングチャートは、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転時の噴射時期及び点火時期を筒内圧力の波形に併せて具体的に示したものである。通常のプラグアシスト水素拡散燃焼が選択されるときの噴射時期及び点火時期は、図６のタイミングチャートの場合と同じであるので、その説明は省略する。
【０１１９】
パイロット噴射付プラグアシスト水素拡散燃焼が選択されるときには、まず、必要噴射量のうちの一部の量の水素が吸気バルブの閉弁直後にパイロット噴射される。パイロット噴射された水素は燃焼室１０内で水素と混合して混合気となる。このときの水素噴射量は、混合気が点火プラグ１６に触れたときに自着火しない範囲の水素濃度となるように設定されている。メイン噴射の噴射時期は、通常のプラグアシスト水素拡散燃焼と同様、圧縮ＴＤＣを跨ぐようにして設定される。ただし、一部の水素がパイロット噴射で噴射される分、メイン噴射の噴射期間は通常のプラグアシスト水素拡散燃焼の噴射期間よりも短くすることができる。
【０１２０】
パイロット噴射付プラグアシスト水素拡散燃焼のための点火時期は、通常のプラグアシスト水素拡散燃焼の場合と同様、メイン噴射の噴射開始と同時若しくは若干遅角側に設定してもよい。しかし、好ましくは、タイムチャートに示すようにメイン噴射に先立って点火を行うようにする。これによれば、パイロット噴射された水素と空気の混合気に着火してそれを拡散燃焼の火種にすることができる。これにより、メイン噴射時の筒内温度を高めてメイン噴射された水素への着火をより確実にし、未燃のまま排出される水素の量を低減することができる。また、一部の水素を拡散燃焼に先立って燃焼させておくことで、拡散燃焼時の筒内圧力の上昇を抑えることもできる。
【０１２１】
本実施の形態では、図２２に示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。図２２において図７に示すルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付している。また、図２２において水素均質リーンバーンによる運転が選択された後の処理は図７に示すルーチンの場合と全く同じであるので、ステップＳ１０４よりも後の処理については図示を省略している。以下では、既述の処理についての重複する説明は省略或いは簡略化するものとする。
【０１２２】
図２２に示すルーチンの最初のステップＳ１５０では、現時点におけるエンジン回転数とアクセル開度が取得され、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷（負荷率）が算出される。また、このステップＳ１５０では、現時点における水素噴射期間も取得される。水素噴射期間は、水素噴射量と筒内噴射弁４０の噴射圧とから算出される。
【０１２３】
次のステップＳ１０２では、現在の運転状態がマップにおけるどの運転領域に属しているか判断される。エンジンが低負荷域或いは中負荷域で運転されている場合には、水素均質リーンバーンによる運転が選択され（ステップＳ１０４）、エンジンが高負荷域で運転されている場合には、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択される（ステップＳ１１４）。
【０１２４】
プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択された場合には、水素噴射期間が所定の基準値よりも大きいか否か判定される（ステップＳ１５２）。図２０のマップにおいてパイロット噴射付プラグアシスト水素拡散燃焼が選択される運転領域は、水素噴射期間が基準値よりも大きくなる運転領域に該当している。一方、通常のプラグアシスト水素拡散燃焼が選択される運転領域は、水素噴射期間が基準値以下となる運転領域に該当している。
【０１２５】
ステップＳ１５２の判定の結果、水素噴射期間が基準値以下の場合には、通常のプラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択される。この場合、図２１の上段に示すようにＴＤＣの前後に水素噴射期間が設定され、また、水素噴射の開始タイミングと略同時に点火プラグ１６が点火される（ステップＳ１５４）。
【０１２６】
一方、水素噴射期間が基準値よりも大きい場合には、パイロット噴射付プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択される。この場合は、図２１の下段に示すように吸気バルブの閉弁直後にパイロット噴射期間が設定され、ＴＤＣの前後にメイン噴射期間が設定される。また、メイン噴射の開始に先立って点火プラグ１６が点火される（ステップＳ１５６）。
【０１２７】
本実施の形態では、ＥＣＵ７０により図２２に示すルーチンが実行されることで、第６及び第７の発明の「制御手段」が実現される。
【０１２８】
実施の形態７.
次に、図２３乃至図２５を参照して、本発明の実施の形態７について説明する。
【０１２９】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じく、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンである。この水素エンジンは、図１或いは図１４に示す構成を有し、図４のマップに基づいてエンジンの運転方法が選択される。本実施の形態と実施の形態１との相違点は、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転時の点火プラグ１６の点火動作にある。
【０１３０】
図２３のタイミングチャートは、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転時の噴射時期及び点火時期を熱発生率の波形に併せて具体的に示したものである。このうち図２３の下段は、実施の形態１にかかる噴射時期及び点火時期を示している。図２３の下段のような噴射時期及び点火時期の設定では、まず、点火プラグ１６による水素噴流への点火によって火炎が形成され、この火炎に向かって水素が続けて噴射されることになる。このとき火炎の中に入らなかった水素は未燃のまま排出されることになる。水素噴射時の火炎の状況は常に一定ではないため、場合によっては多くの未燃水素が発生してしまう。未燃水素の発生量は、水素噴射量が多いほど、つまり、噴射期間が長いほど多くなりやすい。したがって、噴射期間が長いほど、未燃水素の発生を見越して多めに水素を噴射する必要が生じる。
【０１３１】
一方、図２３の上段は、本実施の形態にかかる噴射時期及び点火時期を示している。本実施の形態では、水素の噴射期間内に複数回（図２３では４回）、点火プラグ１８を作動させて水素噴流への点火を行っている。このうち最初の点火は拡散燃焼の核となる火炎を形成するための点火であり、２回目以降の点火は追加の点火である。このように水素の噴射期間中に追加の点火を行うことにより、水素への着火をより確実にして未燃のまま排出される水素の量を低減することができる。未燃水素量を減らすことができれば、その分、水素噴射期間を短くすることができる。また、熱発生率の波形を見て分かるように、点火の度に通常のプラグアシスト水素拡散燃焼よりも若干鋭く熱が発生するので、全体の熱発生期間を短縮してよりトルクの発生するような燃焼を実現することができる。
【０１３２】
本実施の形態では、図２４に示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。図２４において図７に示すルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付している。また、図２４において水素均質リーンバーンによる運転が選択された後の処理は図７に示すルーチンの場合と全く同じであるので、ステップＳ１０４よりも後の処理については図示を省略している。以下では、既述の処理についての重複する説明は省略或いは簡略化するものとする。
【０１３３】
図２４に示すルーチンの最初のステップＳ１５０では、現時点におけるエンジン回転数、アクセル開度及び水素噴射期間が取得され、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷（負荷率）が算出される。
【０１３４】
次のステップＳ１０２では、現在の運転状態がマップにおけるどの運転領域に属しているか判断される。エンジンが低負荷域或いは中負荷域で運転されている場合には、水素均質リーンバーンによる運転が選択され（ステップＳ１０４）、エンジンが高負荷域で運転されている場合には、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択される（ステップＳ１１４）。
【０１３５】
プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択された場合には、水素噴射期間が所定の基準値よりも大きいか否か判定される（ステップＳ１６０）。判定の結果、水素噴射期間が基準値以下の場合には、点火プラグ１６は図２３の下段に示すようなタイミングで最初の一回のみ点火される（ステップＳ１６２）。水素噴射期間が基準値よりも大きい場合には、点火プラグ１６は図２３の上段に示すようなタイミングで複数回点火される（ステップＳ１６４）。この場合の点火回数は任意に設定することができる。
【０１３６】
上記のルーチンによれば、水素噴射期間が短くて未燃水素の発生量が少ない間は点火回数を一回にすることで、点火に用いるエネルギーを節約することができる。そして、水素噴射期間が長くなってきたら点火プラグ１６を追加作動させることで、水素への着火を確実にして未燃水素の発生量を低減することができる。
【０１３７】
なお、水素噴射中の点火プラグ１６の点火回数は、水素の噴射期間に応じて段階的に増やすこともできる。例えば、上記のルーチンに代えて図２５に示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えを行ってもよい。図２５において図２４に示すルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付している。
【０１３８】
図２５に示すルーチンでは、水素噴射期間の長さを判定するための基準値として、基準値１と基準値２が用意されている。基準値２は基準値１よりも大きい値に設定されている。まず、ステップＳ１０２の負荷領域判断によってプラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択された場合、水素噴射期間が基準値１よりも大きいか否か判定される（ステップＳ１６６）。判定の結果、水素噴射期間が基準値１以下の場合には、点火プラグ１６は最初の一回のみ点火される（ステップＳ１６８）。水素噴射期間が基準値１よりも大きい場合には、次に、水素噴射期間が基準値２よりも大きいか否か判定される（ステップＳ１７０）。判定の結果、水素噴射期間が基準値２以下の場合には、点火プラグ１６は２回点火され（ステップＳ１７２）、水素噴射期間が基準値２を超える場合には、点火プラグ１６は３回以上点火される（ステップＳ１７４）。
【０１３９】
このように噴射期間に応じて点火回数を段階的に増やすことで、点火に用いるエネルギーをより節約しながら、水素への着火を確実にすることができる。
【０１４０】
本実施の形態では、ＥＣＵ７０により図２４或いは図２５に示すルーチンが実行されることで、第８の発明の「制御手段」が実現される。
【０１４１】
実施の形態８.
次に、図２６乃至図２９を参照して、本発明の実施の形態８について説明する。
【０１４２】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じく、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンであり、図１或いは図１４に示す水素エンジンにおいて燃焼室１０の周辺の構成を図２６及び図２７に拡大して示す構成に置き換えることで実現される。図２６は燃焼室１０を側面から見た図であり、図２７は燃焼室１０を上方から見た図である。図２６及び図２７において図１或いは図１４に示す水素エンジンと同一の部位については同一の符号を付している。
【０１４３】
図２６及び図２７に示すように、本実施の形態の水素エンジンは３本の点火プラグ１６,５４，５６を備えている。第１の点火プラグ１６は、実施の形態１と同様、燃焼室１０の頂部に配置されている。筒内噴射弁４０は燃焼室１０の側壁部に配置され、この点火プラグ１６に向けて水素が噴射されるよう噴射口の向きが調整されている。また、第２の点火プラグ５４は筒内噴射弁４０の直ぐ上に配置され、第３の点火プラグ５６は筒内噴射弁４０の向かいに配置されている。図２７に示すように、筒内噴射弁４０と３本の点火プラグ１６,５４，５６は一直線上に並んでおり、筒内噴射弁４０から噴射された水素の噴流が点火プラグ５４、点火プラグ１６、点火プラグ５６の順に通過するようになっている。なお、点火プラグ５４，５６の動作は点火プラグ１６と同様にＥＣＵ７０によって制御される。
【０１４４】
図２６及び図２７に示す構成によれば、水素の噴流に沿って３つの点火プラグ５４，１６，５６が配置されることで、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転時には水素噴流の上流、中流、下流の３箇所で水素噴流に着火することが可能になる。以下では、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転を行う際の点火プラグ５４，１６，５６の具体的な点火動作について図２８を用いて説明する。
【０１４５】
まず、図２８の（ａ）に示すように、筒内噴射弁４０からの水素噴射と略同時に筒内噴射弁４０の直ぐそばにある点火プラグ５４を点火する。この点火によって水素噴流に着火し、図２８の（ｂ）に示すように、点火プラグ５４の周辺で拡散燃焼が起きる。しかし、一部の水素は燃焼せずにそのまま噴流となって下流へ流れる場合がある。そこで、図２８の（ｂ）に示すように、水素噴流が中央の点火プラグ１６に到達するタイミングでこの点火プラグ１６を点火する。点火プラグ１６の点火によって未燃水素に着火し、図２８の（ｃ）に示すように、点火プラグ１６の周辺でも拡散燃焼が起きる。しかし、一部の水素はここでも燃焼せずにそのまま噴流となって下流へ流れる場合がある。そこで、図２８の（ｃ）に示すように、水素噴流が最下流の点火プラグ５６に到達するタイミングでこの点火プラグ５６を点火する。
【０１４６】
このように、３つの点火プラグ５４，１６，５６を位相差を付けて順に作動させることで、水素への着火をより確実にして初期火炎を確実に成長させることができ、その後の拡散燃焼を確実にすることができる。これによれば、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転時に未燃のまま排出される水素の量を低減することが可能になる。
【０１４７】
なお、未燃水素はエンジン負荷が高く水素噴射量が多い場合に多く発生する。したがって、上記の説明では３つの点火プラグ５４，１６，５６の全てを点火するように説明したが、エンジン負荷が低く水素噴射量がそれほど多くなければ、筒内噴射弁４０の直ぐそばにある点火プラグ５４と中央の点火プラグ１６を順に点火するだけで十分な燃焼を実現できると考えられる。さらに水素噴射量が少なければ、筒内噴射弁４０の直ぐそばにある点火プラグ５４のみの点火で十分な燃焼を実現できるとも考えられる。未燃水素の発生を確実に抑制しつつ、無駄な点火を防止してエネルギーを節約するためには、上記のようにエンジン負荷に応じて点火点数を変化させることが好ましい。
【０１４８】
本実施の形態では、図２９に示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。図２９において図７に示すルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付している。また、図２９において水素均質リーンバーンによる運転が選択された後の処理は図７に示すルーチンの場合と同じであるので、ステップＳ１０４よりも後の処理については図示を省略している。以下では、既述の処理についての重複する説明は省略或いは簡略化するものとする。
【０１４９】
図２９に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、現時点におけるエンジン回転数とアクセル開度が取得され、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷（負荷率）が算出される。
【０１５０】
次のステップＳ１０２では、現在の運転状態がマップにおけるどの運転領域に属しているか判断される。エンジンが低負荷域或いは中負荷域で運転されている場合には、水素均質リーンバーンによる運転が選択され（ステップＳ１０４）、エンジンが高負荷域で運転されている場合には、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択される（ステップＳ１１４）。
【０１５１】
プラグアシスト水素拡散燃焼による運転が選択された場合には、ステップＳ１８０で、エンジン負荷（負荷率）から最適点火点数が算出される。具体的には、点火プラグ５４による点火を基本とし、エンジン負荷が高くなるにつれて点火プラグ１６、点火プラグ５６の順に点火点数が増やされていく。
【０１５２】
次のステップＳ１８２では、ＴＤＣの前後に水素噴射が行われるとともに、最適点火点数に応じた点火プラグが点火される。このとき、複数の点火プラグが点火される場合には、水素噴流の上流側から下流側に向けて順に位相差をつけて点火される。
【０１５３】
なお、図２９に示すルーチンでは省略しているが、水素均質リーンバーンによる運転時には、実施の形態１と同じく中央の点火プラグ１６を用いるようにする。もしくは、超リーンでの燃焼を持続させるために、全ての点火プラグ１６，５４，５６を点火するようにしてもよい。
【０１５４】
また、実施の形態５のように、極低負荷時に水素成層リーンバーンによる運転を選択する場合にも中央の点火プラグ１６を用いるようにする。ただし、水素と空気との混合時間を少しでも確保するため、中央の点火プラグ１６の代わりに筒内噴射弁４０から最も離れた位置にある点火プラグ５６を点火するようにしてもよい。
【０１５５】
本実施の形態では、図２６及び図２７に示す構成においてＥＣＵ７０により図２９に示すルーチンが実行されることで、第９の発明の「制御手段」が実現される。
【０１５６】
実施の形態９.
次に、図３０を参照して、本発明の実施の形態９について説明する。
【０１５７】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じく、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンであり、図１或いは図１４に示す水素エンジンにおいて燃焼室１０の周辺の構成を図３０に拡大して示す構成に置き換えることで実現される。図３０は燃焼室１０を上方から見た図である。図３０において図１或いは図１４に示す水素エンジンと同一の部位については同一の符号を付している。
【０１５８】
図３０に示すように、本実施の形態の水素エンジンは、燃焼室１０の側壁部に配置された筒内噴射弁４０を備えている。また、燃焼室１０の頂部に配置された点火プラグ１６とは別に、燃焼室１０の上部側方にも点火プラグ１６を挟むようにして２本の点火プラグ５８，６０を備えている。これら３つの点火プラグ１６，５８，６０は、筒内噴射弁４０の噴射口から略等距離に配置されている。また、筒内噴射弁４０は、各点火プラグ１６，５８，６０に向けて同時に水素が噴射されるように３つの噴射口を有している。なお、点火プラグ５８，６０の動作は点火プラグ１６と同様にＥＣＵ７０によって制御される。
【０１５９】
図３０に示す構成によれば、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転時、必要量の水素を３方向に分けて噴射することができ、燃焼室１０内の３箇所で拡散燃焼を生じさせることができる。これによれば、点火プラグ当たりの水素噴射量が少なくなるので、水素の拡散燃焼を確実にすることができ、未燃のまま排出される水素量を低減することができる。また、各点火プラグ１６，５８，６０は筒内噴射弁４０から略等距離に位置しているので各水素噴流への着火も略同時となり、各方向への噴射量を等しくすることで各燃焼箇所での熱発生量を略等しくすることもできる。これにより、変動の少ない均一な燃焼を実現することができる。
【０１６０】
実施の形態１０.
次に、図３１を参照して、本発明の実施の形態１０について説明する。
【０１６１】
本実施の形態のガス燃料内燃機関は、実施の形態１と同じく、ガス燃料として水素を使用する水素エンジンであり、図１或いは図１４に示す水素エンジンにおいて燃焼室１０の周辺の構成を図３１に拡大して示す構成に置き換えることで実現される。図３１は燃焼室１０を上方から見た図である。図３１において図１或いは図１４に示す水素エンジンと同一の部位については同一の符号を付している。
【０１６２】
図３１に示すように、本実施の形態の水素エンジンは、実施の形態１の変形例である図３の構成と同じく、燃焼室１０の頂部に筒内噴射弁４０と点火プラグ１６とを備えている。筒内噴射弁４０は燃焼室１０の頂部中央に配置され、点火プラグ１６は筒内噴射弁４０の直ぐそばにオフセットして配置されている。また、燃焼室１０の上部側方には、筒内噴射弁４０を中心とする円周上に４本の点火プラグ６２，６４，６６，６８が等間隔で配置されている。このうちの一つの点火プラグ６６は、筒内噴射弁４０から点火プラグ１６に延びる直線の延長線上に位置している。筒内噴射弁４０は、４つの点火プラグ６２，６４，６６，６８に向けて放射状に水素が噴射されるように４つの噴射口を有している。なお、点火プラグ６２，６４，６６，６８の動作は点火プラグ１６と同様にＥＣＵ７０によって制御される。
【０１６３】
図３１に示す構成によれば、筒内噴射弁４０のすぐそばに点火プラグ１６が配置されているので、プラグアシスト水素拡散燃焼による運転時、水素噴射と略同時に点火プラグ１６を点火することで筒内噴射弁４０の噴射口のすぐそばに火炎を形成することができる。また、水素の噴射方向には点火プラグ６２，６４，６６，６８が配置されているので、中央の火炎では拡散燃焼しなかった水素にも確実に着火することができる。さらに、水素は各点火プラグ６２，６４，６６，６８に向けて分散して噴射されるため、水素の拡散燃焼を確実にすることができ、未燃のまま排出される水素量を低減することができる。
【０１６４】
また、図３１に示す構成によれば、燃焼室１０の頂部に配置された筒内噴射弁４０から下向きに、且つ、放射状に分散して水素が噴射されるため、水素均質リーンバーンによる運転時には、水素と空気とをむらなく均質に混合させることができる。
【０１６５】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、ある実施の形態にかかる特徴的構成或いは制御を、他の実施の形態にかかる特徴的構成或いは制御と組み合わせてもよい。具体例を挙げると、実施の形態６にかかるパイロット噴射付プラグアシスト水素拡散燃焼と、実施の形態７にかかる複数回点火とは組み合わせることができる。その場合、パイロット噴射後にメイン噴射に先立って一回点火を行い、メイン噴射中にも複数回点火を行うようにする。これによれば、最初の点火によってパイロット噴射された水素が燃焼し、燃焼室内に高温雰囲気が作りだされる。この高温雰囲気の中でメイン噴射を行うことで、少ない点火回数でも確実に着火することが可能になり、その分、点火に用いるエネルギーを節約することができる。
【０１６６】
上記の各実施の形態では、水素を拡散燃焼させるために水素噴流に着火する着火装置として点火プラグを利用しているが、既存の点火プラグとは別にグロープラグを備え、グロープラグによって着火するようにしてもよい。つまり、希薄予混合燃焼運転では従来通り点火プラグを着火装置として使用し、拡散燃焼運転ではグロープラグを着火装置として使用してもよい。
【０１６７】
また、上記の各実施の形態では、本発明を水素エンジンに適用しているが、本発明は水素ガス以外のガス燃料を利用するガス燃料内燃機関にも適用可能である。なお、水素の場合には空気過剰率が２よりも小さくなると燃焼が急激になるが、燃焼が激しくなる空気過剰率の閾値はガス燃料の組成によって異なる。したがって、本発明を水素エンジン以外のガス燃料内燃機関に適用する場合には、使用するガス燃料の組成に応じて前記閾値を定め、空気過剰率を前記閾値以上に保つことができる運転領域では希薄予混合燃焼運転を選択し、空気過剰率を前記閾値以上に保つことができない運転領域では拡散燃焼運転を選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】本発明の実施の形態１としての水素エンジンの概略構成を示す図である。
【図２】図１の水素エンジンにおける燃焼室周辺の構成を拡大して示す図である。
【図３】図１の水素エンジンにおける燃焼室周辺の構成の変形例を拡大して示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１においてエンジンの運転方法の選択に用いられるマップを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１における水素均質リーンバーン運転時の噴射時期を筒内圧力の波形と併せて示すタイムチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１におけるプラグアシスト水素拡散燃焼運転時の噴射時期及び点火時期を筒内圧力の波形と併せて示すタイムチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンについて示すフローチャートである。
【図８】図１の水素エンジンにおけるクランク角に対する筒内圧力の変化を示すグラフである。
【図９】図１の水素エンジンにおけるクランク角に対する熱発生率の変化を示すグラフである。
【図１０】図１の水素エンジンにおけるλとエンジンの正味熱効率との関係を運転方法毎に示すグラフである。
【図１１】図１の水素エンジンにおけるλとＮＯｘ発生量との関係を運転方法毎に示すグラフである。
【図１２】図１の水素エンジンにおけるエンジン負荷と正味熱効率との関係を運転方法毎に示すグラフである。
【図１３】図１の水素エンジンにおけるエンジン負荷とＮＯｘ発生量との関係を運転方法毎に示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態２としての水素エンジンの概略構成を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態３においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンについて示すフローチャートである。
【図１６】本発明の実施の形態４においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンについて示すフローチャートである。
【図１７】本発明の実施の形態５においてエンジンの運転方法の選択に用いられるマップを示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態５における水素リーンバーン運転時の噴射時期を筒内圧力の波形と併せて示すタイムチャートである。
【図１９】本発明の実施の形態５においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンについて示すフローチャートである。
【図２０】本発明の実施の形態６においてエンジンの運転方法の選択に用いられるマップを示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態６におけるプラグアシスト水素拡散燃焼運転時の噴射時期及び点火時期を筒内圧力の波形と併せて示すタイムチャートである。
【図２２】本発明の実施の形態６においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンについて示すフローチャートである。
【図２３】本発明の実施の形態７におけるプラグアシスト水素拡散燃焼運転時の噴射時期及び点火時期を熱発生率の波形と併せて示すタイムチャートである。
【図２４】本発明の実施の形態７においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンについて示すフローチャートである。
【図２５】本発明の実施の形態７においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンの他の例について示すフローチャートである。
【図２６】本発明の実施の形態８としての水素エンジンにおける燃焼室周辺の構成を拡大して示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態８としての水素エンジンにおける燃焼室周辺の構成を拡大して示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態８におけるプラグアシスト水素拡散燃焼運転時の具体的な点火動作について説明するための説明図である。
【図２９】本発明の実施の形態８においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンの他の例について示すフローチャートである。
【図３０】本発明の実施の形態９としての水素エンジンにおける燃焼室周辺の構成を拡大して示す図である。
【図３１】本発明の実施の形態１０としての水素エンジンにおける燃焼室周辺の構成を拡大して示す図である。
【図３２】一般的な水素エンジンにおけるλと熱効率及び冷却損失との関係を示すグラフである。
【図３３】一般的な水素エンジン及びガソリンエンジンにおけるλとＮＯｘ排出量との関係を示すグラフである。
【図３４】一般的な水素エンジンにおけるクランク角度に対する熱発生率の変化について示すグラフである。
【符号の説明】
【０１６９】
２  内燃機関
１０  燃焼室
１２  吸気バルブ
１４  排気バルブ
１６，５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８  点火プラグ
２０  吸気通路
３０  排気通路
４０  筒内噴射弁
４２  水素供給装置
４４  ポンプ
４６  水素供給管
５０  ポート噴射弁
７０  ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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