(57)【要約】【課題】ガス燃料を主燃料とする内燃機関の点火性向上。【解決手段】主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であり、点火プラグ１４０と、ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁３２、エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁４２を備える。ＥＣＵ１００は、ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかを判断し、適性範囲外に到達すると予測した時には、ガス燃料に加えて液体燃料を点火補助燃料としてエンジンに供給する。点火性適性範囲は、例えば点火プラグ１４０の要求放電電圧を指標としており、要求放電電圧が点火プラグの設定放電電圧を実際に超える場合や、要求トルクなどから超えると予想される場合、ガス燃料と液体燃料とを併用して放電電圧を低下させ、最小限の燃料噴射量で点火性を改善する。【選択図】図３
2007270750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、
前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、
前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、
エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、を備え、
エンジン制御部が、ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかを判断し、前記適性範囲外に到達すると予測した時には、前記ガス燃料に加えて前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関において、
前記エンジン制御部は、点火プラグの要求放電電圧が所定電圧を超えるかどうかを、予め設定した燃料噴射量の所定の関係マップ、または前記要求放電電圧の検出値に基づいて判断し、前記ガス燃料による点火性の適性範囲外への到達を予測することを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
主燃料としてガス燃料を用いる火花点火内燃機関であって、
前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、
前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、
エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、を備え、
エンジン制御部が、点火プラグの要求放電電圧の限界電圧を考慮した要求トルク及び混合気濃度に対する燃料噴射量の関係マップを有し、該関係マップに基づいて、前記要求放電電圧が前記限界放電電圧を超える領域と判定されると、前記ガス燃料に加えて前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給することを特徴とする内燃機関。
【請求項４】
主燃料としてガス燃料を用いる火花点火内燃機関であって、
前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、
前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、
エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、
前記点火プラグの点火時の要求放電電圧を検出する検出部と、備え、
検出した前記要求放電電圧が、前記点火プラグの限界電圧を超えると、前記ガス燃料に加えてさらに前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給することを特徴とする内燃機関。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記液体燃料は、エンジン気筒内に直接噴射することを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記ガス燃料と前記液体燃料との併用時には、ガス燃料噴射量を低減し、該ガス燃料噴射量の低減に応じて減少する出力相当量の液体燃料を噴射することを特徴とする内燃機関。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記ガス燃料は、前記液体燃料を改質して得た改質ガス燃料であることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ガス燃料を主燃料とする内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガス、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas ）、天然ガス、ガソリンなどを改質して得られる改質ガスなどを燃料とするガス燃料内燃機関が知られている。このガス燃料は、ガソリンと同等かそれ以上の燃焼性を持つため点火すると燃焼効率の良い内燃機関を提供できるが、ガソリン燃料と比較してその点火性に課題がある。
【０００３】
このような点火性の低い燃料に、確実に点火するには、点火プラグの改良が必要であり、非特許文献１に示されているように、例えば点火プラグの電極形状の変更やプラグの細径化、プラグギャップの調整、絶縁材料や電極形状の変更、あるいは点火エネルギ自体を高めることが考えられる。
【０００４】
点火不良、即ち失火は、内燃機関にとって非常に好ましくない。例えば特許文献１では、失火を検出するための装置が開示されている。ここでは、失火の原因として、燃料混合気のリーン状態やリッチ状態に起因する燃料系の失火、ミススパークに起因する点火系の失火が示されている。さらに、燃料系の失火については、その失火と、点火プラグの電極間に保持される電圧（放電電圧）とに相関関係があり、放電電圧が比較レベル（比較電圧値）を超える期間が、所定期間以上継続する時、失火と判定することが開示されている。
【０００５】
特許文献２では、直噴式火花点火機関（内燃機関）における失火検出について開示されており、特許文献１と同様、点火プラグの放電電圧によって失火を判定することが開示されている。特許文献２では、さらに点火プラグの放電電圧を基準電圧と比較することで、点火プラグ周辺の空燃比が最適空燃比よりリッチ（過濃）であることによるリッチ失火か、リーン（希薄）であることによるリーン失火であるかを判定している。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２１３１２９号
【特許文献２】特開平１０−２９９５６３号
【特許文献３】特開平９−２１３６２号
【非特許文献１】西尾兼光著「スパークプラグ」山海堂、１９９９年１２月２０日、ｐ９４−９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のようにガス燃料を主燃料とした内燃機関の場合、ガス燃料に対して最適な点火プラグを提供すればよいが、非特許文献１に開示されているように、点火性向上機能の高い改良方法ほどコストの高い点火装置が必要となる。このため、最適化には限界があり、また改良のための開発コスト、製造コストの上昇を避けられない。
【０００８】
また、特許文献１及び２に記載されたように失火を判定し、空気供給量や、燃料噴射量を調整することで、次のタイミングでの失火を回避することはできる。しかし、ガス燃料において失火の一因である希薄燃焼限界（リーン状態）での点火性悪化を、ガス燃料噴射量を増やして解消するのであり、燃料使用量を低減することはできない。よって、燃料使用量を低減するためには、点火性の低い希薄領域においても確実な点火を実現することが必要となり、上記非特許文献１に示されているように点火プラグの改良が要求される。
【０００９】
なお、特許文献３には、ガソリンを主燃料とする内燃機関にガソリンの改質ガスを併用することが記載されている。この特許文献３では、改質ガスを、気筒内に形成される消炎層（壁面）領域にのみ供給し、これによりガソリン燃料の燃焼時に消炎層となる領域の燃焼を促して炭化水素の未燃焼分を減少させている。つまり、気筒内の消炎層に選択的に改質ガス層を生成し、点火プラグ近接領域を含む消炎層の内側にガソリン燃料層を生成するので、点火プラグは、ガソリン燃料に対して適切な火花点火ができれば良く、従来知られた点火プラグをそのまま採用すればよい。さらに、特許文献３では、改質ガスの供給タイミングによって点火プラグ付近に改質ガス層を生成すると、主燃料（ガソリン燃料）の点火性が悪い場合に点火性を向上させることができるとも述べており、ガス燃料の点火性の低さについて認識が全くない。
【００１０】
本発明は、ガス燃料を主燃料とした内燃機関における点火性の向上を図る。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であって、前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、を備え、エンジン制御部が、ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかを判断し、前記適性範囲外に到達すると予測した時には、前記ガス燃料に加えて前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給する。
【００１２】
本発明の他の態様において、上記エンジン制御部は、点火プラグの要求放電電圧が所定電圧を超えるかどうかを、予め設定した燃料噴射量の所定の関係マップ、または前記要求放電電圧の検出値に基づいて判断し、前記ガス燃料による点火性の適性範囲外への到達を予測することができる。
【００１３】
本発明の他の態様では、主燃料としてガス燃料を用いる火花点火内燃機関であって、前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、を備え、エンジン制御部が、点火プラグの要求放電電圧の限界電圧を考慮した要求トルク及び混合気濃度に対する燃料噴射量の関係マップを有し、該関係マップに基づいて、前記要求放電電圧が前記限界放電電圧を超える領域と判定されると、前記ガス燃料に加えて前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給する。
【００１４】
本発明の他の態様では、主燃料としてガス燃料を用いる火花点火内燃機関であって、前記ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁と、前記エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁と、エンジン気筒内の混合気に火花点火を行う点火プラグと、前記点火プラグの点火時の要求放電電圧を検出する検出部と、備え、検出した前記要求放電電圧が、前記点火プラグの限界電圧を超えると、前記ガス燃料に加えてさらに前記液体燃料を点火補助燃料として前記エンジンに供給する。
【００１５】
本発明の他の態様では、上記内燃機関において、前記液体燃料は、エンジン気筒内に直接噴射することができる。
【発明の効果】
【００１６】
ガス燃料は、液体燃料と比較して比誘電率が小さい燃料であり、点火性が低いという特性を持つ。例えば、エンジン負荷（要求トルク）が大きい場合、又は混合気濃度が低い場合、特にその両方の場合、点火性の悪化が著しくなるが、本発明では、このようにガス燃料による点火性が適性範囲を超えて悪化する場合には、ガス燃料と共に、点火補助燃料として液体燃料を併用する。液体燃料は、例えばガソリン燃料等であり、ガス燃料に比較して比誘電率が大きい。したがって、エンジンの気筒内にガス燃料と共に液体燃料を供給することで、点火性を向上させることができる。このため、ガス燃料及び液体燃料のいずれも最小限の噴射量を実現し、かつ点火プラグは特別に改良することなく点火性を改善することができる。
【００１７】
ここで、ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかは、点火プラグの要求放電電圧が所定電圧を超えるかどうかを、予め設定した燃料噴射量の所定の関係マップ、または要求放電電圧の検出値に基づいて判断することで容易に決定することができる。上述のようにガス燃料は、液体燃料に比較して比誘電率が小さいため、着火しにくく（着火した後の燃焼性とは関係がない）、これを点火プラグの電極間での要求放電電圧（放電に必要な電圧）で見ると、一般的に、要求放電電圧が同一条件下での液体燃料に対する要求放電電圧よりも高い。さらに、要求トルクが大きく、或いは混合気濃度が低く、点火性が悪化する条件では、ガス燃料に対する点火プラグの要求放電電圧は非常に高くなる。従って、要求放電電圧を指標にガス燃料の点火性の適性範囲を判断して、液体燃料を点火補助として併用することで、確実にこの要求放電電圧を低下させて、点火性を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明において、液体燃料をエンジン気筒へ直接噴射する方式を採用することで、点火プラグの周囲に効率的にガス燃料を供給でき、ガス燃料についても液体燃料についても最小限の使用量で点火性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（実施形態）について説明する。
【００２０】
［実施形態の概略］
本実施形態は、主燃料としてガス燃料を用いる内燃機関であり、気筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、ガス燃料をエンジンに供給するガス噴射弁を備える。さらに、エンジンに液体燃料を供給する液体噴射弁を備える。
【００２１】
エンジンの制御部（いわゆるＥＣＵ：電子制御ユニット）は、ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかを判断し、適性範囲外に到達すると予測した時には、ガス燃料に加えて前燃料を点火補助燃料としてエンジンに供給する。ガス燃料による点火性が適正範囲かどうかについては、後述するように、点火プラグの要求放電電圧が所定電圧を超えるかどうかを、予め設定した燃料噴射量の関係マップ、または要求放電電圧の検出値に基づいて判断することで決定する。
【００２２】
ガス燃料としては、水素ガス、ＬＰＧ、天然ガス等が採用でき、またガソリンなどの炭化水素燃料を改質して得られる改質ガスを採用することも可能である。炭化水素燃料の改質ガスとしては、炭化水素燃料を水蒸気又は二酸化炭素で改質すると得られる水素と一酸化炭素の混合ガスが挙げられる。もちろん、これらのガスには限定されず、可燃性の所望のガス燃料が採用可能である。点火補助燃料として用いられる液体燃料としては、例えばガソリン、メタノール、エタノール、或いは軽油、重油などの採用も可能でき、ガス燃料よりも比誘電率が大きく点火性が高い液体を採用することができる。よって、水などについても採用可能である。
【００２３】
本実施形態において、ガス燃料による点火性適性範囲かどうかについてのＥＣＵの判断は、以下のような方法で行うことができる。例えば、必要な条件を内燃機関毎に予め測定し、これを燃料噴射量マップとしてＥＣＵに設定しておき、要求トルクや混合気濃度などからこのマップを参酌して液体燃料を併用すべき条件かどうかを判定する。つまり、例えば要求トルクに対応する燃料噴射量項目に、ガス燃料のみでは点火性が適性でないとして、ガス燃料と液体燃料のそれぞれの噴射量が設定されていれば、ＥＣＵはその設定値に応じた量のガス燃料と液体燃料を噴射すると共に、それに応じた空気量となるようスロットルバルブ等の制御を行う。別の方法では、実際に点火プラグにおける要求放電電圧を測定し、その電圧値が基準値を超える場合には、ガス燃料だけでは点火性が適性でないとして、ガス燃料に加えて液体燃料を点火補助燃料として採用する。
【００２４】
図１及び図２は、炭化水素燃料を水蒸気又は二酸化炭素で改質すると得られる水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスについての、点火プラグの要求放電電圧と、混合気の当量比（燃料と空気との当量比）の関係について、異なる負荷（要求トルク）の条件下で測定した結果を示している。図１及び図２において、縦軸は点火プラグの要求放電電圧、横軸は、混合気の当量比である。なお、液体燃料としてはガソリンを採用し、点火プラグとしては、従来から採用されている一般的なガソリン燃料用の点火プラグを採用している。また、図１及び図２において、「ガソリン」で示す特性は、ガソリンを主燃料として用い、これの混合気濃度（当量比）を変えて点火した場合の要求放電電圧であり、「改質ガス」で示す特性は、改質ガスを主燃料として用い、この改質ガスの混合気濃度（当量比）を変えて点火した場合の要求放電電圧である。さらに、「改質ガス：ガソリン＝１：１」で示す特性は、改質ガスとガソリンを発熱量比１：１で供給し、かつ混合気濃度（当量比）を変えて点火した場合の要求放電電圧である。
【００２５】
図１は、高負荷状態での測定結果であり、図２は低負荷状態での測定結果である。ガソリン燃料を主燃料として用いた場合には、同一当量比における要求放電電圧は、高負荷時の方がわずかに高い放電電圧となっているが、いずれの負荷状態においても、点火系の限界電圧、つまり採用した点火プラグの設計電圧よりも十分に低い。よって、ガソリンを燃料として用いる場合には、混合気濃度（当量比）によらず従前の点火プラグの能力の範囲内で点火させることができることがわかる。
【００２６】
一方、改質ガスを主燃料として用いたときの点火プラグの放電電圧は、低負荷の場合には点火プラグの限界電圧より低いが、高負荷状態では、限界電圧を超えてしまっている。
【００２７】
これに対し、図１に示すように、改質ガスに加えて点火補助燃料としてガソリンを併用すると、要求放電電圧は、点火系の限界電圧よりも十分低い電圧に低下し、安定した点火が可能となることがわかる。もちろん、低負荷の場合においても改質ガスとガソリンを併用することで、改質ガス単独の場合の放電電圧よりも低い放電電圧が得られている。
【００２８】
このような特性は、液体燃料としてガソリンを用い、ガソリンよりも比誘電率の小さい水素、ＬＰＧ、天然ガスを主燃料として用いた場合にも同様に得られる（ガソリンの比誘電率は１．９〜２．５、改質ガス、水素、ＬＰＧ、天然ガスの比誘電率は約１．０）。また、液体燃料としてガソリンではなく、例えばメタノール、エタノールのアルコール燃料等を採用した場合、これらの比誘電率は、さらに大きく、１０以上もある。したがって、ガソリンではなく、これらアルコール燃料なども液体燃料として採用可能であり、その比誘電率の高さからガソリンよりもさらに少ない噴射量で点火性の改善を図ることも可能である。
【００２９】
本実施形態では、以上説明したように、ガス燃料を主燃料とする火花点火内燃機関において、液体燃料を点火補助燃料として状況に応じて併用することで、点火性、特に高負荷時又は希薄運転時の点火系の要求放電電圧を低下させて点火性を向上することが可能となっている。
【００３０】
［具体例１］
図３は、本実施形態に係る内燃機関の具体的な構成例を示す。この内燃機関では、主燃料としてガス燃料をエンジンに供給する主燃料供給系３０と、点火補助燃料として液体燃料（ここではガソリン）を供給する点火補助燃料供給系４０を備え、吸気管１２０の吸気ポート付近に、主燃料供給系３０からのガス燃料を噴射するガス燃料噴射弁３２と、液体燃料供給系４０からの液体燃料を噴射するための液体燃料噴射弁４２が設けられている。ＥＣＵ１００には、条件に応じて混合気の点火性が適性範囲となるように調整するための燃料噴射量マップ（詳しくは後述する）が設定されており、ＥＣＵ１００は、このマップを参照して、この主燃料噴射量、液体燃料噴射量、及び空気量、点火時期などを制御する。なお各燃料供給系３０，４０では、それぞれの燃料が格納されたタンクと、このタンクから燃料を汲み上げるポンプが設けられ、その先にそれぞれ燃料噴射弁３２，４２が設けられている。
【００３１】
気筒１１０の上部付近には、点火プラグ１４０、吸気弁１２４、排気弁１２６がそれぞれ設けられ、気筒１１０内には、気筒軸線に沿って上下し、コネクティングロッドによりクランク軸に連結されたピストン１１４が設けられている。吸気管１２０には、スロットルバルブ１２２が設けられ、気筒１１０の空気の吸気量を制御している。なお、このスロットルバルブ１２２には、このバルブを通過する空気の流量を測定してエアーフローメータ信号を出力するエアフローメータが設けられている（図示しない）。また、気筒１１０の排気ポートは、排気管１３０につながっており、その先には三元触媒などからなる排気触媒１２８が設置されている。
【００３２】
図４は、ＥＣＵ１００に設定される燃料噴射量マップを示している。この燃料噴射量マップは、要求トルクと混合気濃度に応じて必要な燃料噴射量が示されており、エンジン回転数毎に設けられている。この燃料噴射量マップでは、点火プラグの要求放電電圧がその設計電圧（限界電圧）を超えない領域では、各条件で必要なガス燃料の噴射量のみが設定されている。また、設計電圧を超えるような領域では、ガス燃料のみでは点火性が適性範囲にならないとの推定から、液体燃料をガス燃料と併用することが設定されている。具体的には、この点火性適性範囲外の領域では、ガス燃料噴射量を減らし、それによる出力減少分に相当する液体燃料の噴射量が設定されている。
【００３３】
以下に上記エンジンの動作について簡単に説明する。まず、ＥＣＵ１００は、上述のような要求トルクと混合気濃度に対する燃料噴射量マップを参照し、要求トルクの増加時及び混合気濃度の希薄化時において、点火プラグの要求放電電圧が設計電圧を超えると予想される場合、ガス燃料及びガソリン燃料のそれぞれについての最適な噴射量と、空気量とを決定し、噴射弁３２，４２、スロットルバルブ１２２を制御する。要求放電電圧が設計電圧を超えない場合には、図４のマップを参照して必要なガス燃料噴射量と、空気量とを決定する（ガソリン燃焼の噴射は実行しない）。吸気ポートには、このようにＥＣＵ１００の制御により、最適量の空気と、ガス燃料（又は所望割合のガス燃料と液体燃料の混合燃料）とが供給される。
【００３４】
吸気行程で、吸気弁１２４が開き、ピストン１１４が下降すると、吸気ポートから、上記ＥＣＵ１００によって制御された適量の空気及び適量のガス燃料（又はガス燃料と液体燃料の混合燃料）が気筒１１０内に吸入され、気筒１１０内で最適な当量比（空燃比）の混合気が形成される。
【００３５】
圧縮行程では、吸気弁１２４が閉じてピストンが上昇し、筒内の混合気が圧縮される。点火プラグ１４０は、ＥＣＵ１００の制御により、ピストン１１４がその上死点近傍に到達した所望のタイミングで、この圧縮混合気に対して火花点火を行う。上述のように、本実施形態では、常に、この点火プラグ１４０の放電電圧によって点火可能な混合気が気筒内に供給されるため、圧縮混合気は確実に着火して燃焼し、膨張する。燃焼ガスの膨張により気筒１１０内での圧力が上昇し、これによりピストン１１４は押し下げられて、クランク軸を回転させ、要求に応じたトルクを得る。続く排気行程では、排気弁１２６が開き、燃焼ガスが排気ポートに排出され、この燃焼ガスは排気触媒１２８で浄化された後、大気中に放出される。
【００３６】
ここで、点火をアシストするために投入される液体燃料としてガソリンを用い、主燃料として改質ガスを用いた場合において、自然吸気エンジンを例にとると、このガソリン量は、最大でも全燃料（改質ガスとガソリン）の２０％（発熱量割合）で充分である。しかし、点火性を改善する上では、それ以上投入してもよい。但し、特にガソリン使用量をできる限り少量にするという観点からは、上記２０％を上限とすることが好適である。
【００３７】
ガソリンなどの炭化水素燃料から得る改質ガスの組成は、改質温度によって変わるため、ここでは７００℃を越える高い改質温度の時に得られる改質ガスを例に、上記発熱量割合での２０％を質量割合で示すと、全燃料の約１２％（質量割合）となる。この場合、残りの８８％（質量割合）が改質ガスとなる。
【００３８】
このように燃料噴射量マップとして、予め必要な条件を組み込んでおき、要求トルクなどに応じてガス燃料と液体燃料の併用及び各噴射量などを決定することで、センサなどのない簡易な内燃機関により迅速に点火性を向上させることができる。
【００３９】
［具体例２］
次に、具体例２について説明する。上記具体例１では、ＥＣＵ１００に、要求トルクと混合気濃度に対する燃料噴射量マップを備え、要求トルク、混合気濃度等に基づいて、点火プラグの要求放電電圧が設計電圧を超えると予測される条件になると、ガス燃料に加え液体燃料を用いる。これに対し具体例２では、実際に、点火プラグ１４０の放電電圧を検出し、その放電電圧が所定の設計電圧を超えた場合、点火性が悪化して、点火性適性範囲外になると予測されるので、ガス燃料と液体燃料の併用を行う。図５は、具体例２で用いる点火装置の等価回路の概略図である。
【００４０】
点火装置は、点火プラグ１４０と、点火コイル１４２を備える。点火コイル１４２は、１次コイル１４２ａ、２次コイル１４２ｂを備え、１次コイル１４２ａには、スイッチＳＷ、コンデンサＣ１が並列接続され、コンデンサＣ１と１次コイル１４２ａの間にはバッテリ１４６と抵抗１がそれぞれ接続されている。２次コイル１４２ｂにはコンデンサＣ２及び点火プラグ１４０及び点火プラグ１４０の電極間電圧（放電電圧）を検出する検出部１４４が接続されている。
【００４１】
１次コイル１４２ａにバッテリ１４６からの電流が供給され、電荷がコンデンサＣ１に蓄積されている状態で、ＥＣＵ１００の制御などによってスイッチＳＷを閉状態から開状態に変化させることでコイル１４２ａへの通電が遮断され、２次コイル１４２ｂに２次電流が誘起される。２次電流はコンデンサＣ２に蓄積され、点火プラグ１４０の電極間の電圧が上昇し、やがて要求放電電圧に達すると点火プラグ１４０の電極間（混合気）で絶縁破壊が起き、プラグ電極間に火花が飛び、プラグ１４０の周囲の混合気に火花点火される。要求放電電圧検出部は、１次コイル１４２ａへの通電が遮断されることで２次コイル１４２ｂに２次電流が流れ、これにより上昇する点火プラグ１４０の電極間電圧（２次電圧）の最大値（要求放電電圧）を検出する。プラグ１４０の電極間に火花放電が起きるとこの電極間電圧は急速に低下するため、最大値が放電に必要な電圧、即ち要求放電電圧に相当する。
【００４２】
図１に示したように、ガス燃料と空気との混合気が希薄であり、かつ、高負荷となるような場合には、要求放電電圧は著しく高くなり、点火性の悪化が予測できる。そこで、具体例２では、放電電圧検出部１４４によって、この要求放電電圧を検出する。検出信号はＥＣＵ１００に送られ、ＥＣＵ１００は、予め定めた基準電圧、例えば、採用する点火プラグ１４０の限界電圧（設計電圧）よりも検出した要求放電電圧が高くなると、ガス燃料と液体燃料の併用を決定する。
【００４３】
ここで、ＥＣＵ１００は、例えば、予め内部に設定されている要求トルクと混合気濃度に対する燃料（ガス燃料）噴射量マップを持っている。そこで、要求放電電圧が限界電圧を超えたことが検出された場合には、この燃料噴射量マップを参照し、アクセルポジションセンサー信号（ドライバ要求トルク）と、エアフローメータ信号（吸入空気量）に基づいて、要求トルク及び空気量に対し決まるガス燃料の噴射量を減らし、それによる出力減少分に相当する量の液体燃料を液体燃料噴射弁４２から噴射する。また、同時に、ＥＣＵ１００は、スロットル開度、点火時期についてもガス燃料と液体燃料の併用に応じて調整する。
【００４４】
具体例２のように要求放電電圧を実際に測定することにより、各エンジンに固有の点火特性等に応じて、精度良く点火性の悪化を予測して、燃料使用量を最小限としながら確実に点火性を向上することができる。
【００４５】
［具体例３］
図６は、具体例３に係る内燃機関の概略構成を示している。なお、既に説明した図面と対応する箇所には同一符号を付して説明を省略する。具体例１では液体燃料を吸気管１２０に噴射弁４２から噴射しているが、実施例３では、気筒１１０内に液体燃料噴射弁５０を設け、液体燃料供給系４０からの液体燃料を気筒内１１０に直接噴射している。液体燃料の噴射タイミングは、圧縮行程の後半が好適である。
【００４６】
液体燃料をガス燃料と併用するかどうかの判断は、上記具体例１のように予め条件に対して決められた燃料噴射マップに基づいて行っても良いし、上記具体例２において説明したように、点火プラグの要求放電電圧を実際に検出し、この電圧が設計電圧を超えた場合に、ガス燃料と液体燃料との併用を実行してもよい。具体例２の方法を採用する場合には、ＥＣＵ１００が、要求放電電圧が設計電圧を超えたと判断すると、要求トルクに対応するガス燃料噴射量を減らし、それによる出力減少分に相当する量の液体燃料を、液体燃料噴射弁５０から、圧縮行程後半に気筒１１０内に供給する。
【００４７】
気筒内への直接噴射の方式としては、より具体的には、図７又は図８に示すような方式を採用することができる。図７では、噴射弁５２から点火プラグ１４０の設置付近に向けて少量の液体燃料を噴射し、点火プラグ１４０の近傍に、積極的に液体燃料と空気との混合気層を形成する。
【００４８】
図８では、液体燃料を噴射弁５４から、一旦ピストン１１４の上面付近に向けて少量噴射する。噴射された液体燃料はピストン１１４の上面に衝突し、液体燃料と空気との混合気領域は気体の分散作用により拡大するが、ガス燃料と空気との混合気領域とは完全に混ざることなく、圧縮行程で上昇するピストン１１４と共に点火プラグ１４０の近傍に移動する。図８の方式では、液体燃料−空気混合気領域は、図７と比較すると大きく、この液体燃料−空気混合気領域における液体燃料濃度は、同一量の液体燃料を筒内に噴射した場合、図７の場合よりも低くなる。このため図７の方式の方が、点火性改善のために用いる液体燃料量を少なくすることができる。一方、図８の方式では、点火プラグ１４０への到達までに噴射した液体燃料の分散及び気化が進むため、点火プラグ１４０の周辺において均一な液体燃料−空気混合気領域を生成でき、安定した点火性を実現できる。なお、図８のような直接噴射方式の場合、ピストン１１４の上面の形状などを改良することで、必要な液体燃料噴射量をさらに低減することが可能である。
【００４９】
図７及び図８のいずれの構成によっても、結果的には点火プラグ１４０の近傍に、選択的に液体燃料と空気との混合気層が形成されるため、点火プラグ１４０の周辺において放電電圧を低下させ、混合気の点火性を向上することができる。このように具体例３によれば、点火プラグ１４０の近傍に、選択的かつ効果的に、液体燃料と空気との混合気層が形成を形成でき、図３に示すような吸気ポート付近に液体燃料を噴射する方式よりも、少量の液体燃料噴射量によって点火性を改善することができる。
【００５０】
なお、ガス燃料についても、気筒１１０内に直接噴射する方式を採用することで、ガス燃料についても使用量を低減し、さらなる燃費向上を図ることができる。気筒１１０内に直接ガスを噴射する場合、効率的に噴射するには噴射するガス圧が高いことが要求されるので、ガス燃料タンクにおける圧力が低い場合には、ポンプ部において加圧してガス燃料噴射弁から筒内に直接噴射することが必要である。なお、例えばＬＰＧなどのように高圧状態でタンク内にガス燃料が保持されている場合には、特別な加圧手段を設けることなく、気筒１１０内にガス燃料を直接噴射することができる。
【００５１】
［具体例４］
次に、改質ガスを用いるエンジンの全体的なシステム概略図を図９及び図１０にそれぞれ示す。上記各具体例において説明した液体燃料として、ガソリン等の液体炭化水素燃料を採用した場合、炭化水素燃料を改質することで水素と一酸化炭素を主成分とする混合ガス（改質ガス）を得ることができる。なお、以下では炭化水素燃料としてガソリンを例に説明する。
【００５２】
図９及び図１０のいずれのシステムでも、ガソリン供給系４０のガソリンタンクの他に水タンク２００を備え、ガソリンタンクに蓄えられたガソリンはポンプ２１６で汲み上げて流量制御弁２１４を介して蒸発器２２０に送り、同時に水タンク２００から水をポンプ２１０で汲み上げ、流量制御弁２１２を介して蒸発器２２０に送っている。蒸発器２２０では、図９では加熱ヒータ２２２によって、図１０では排気熱の熱交換器２５０によって加熱されており、蒸発器２２０において、ガソリンと水とを蒸発させる。蒸発したガソリン及び水の混合気体は、改質器２３０に送られる。改質器２３０は、図９では加熱ヒータ２３２、図１０では熱交換器２６０によって加熱されている。ここで、ガソリンと水から水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成するための改質反応は吸熱反応であるため、改質器２３０を加熱することによって、改質反応を進めている。
【００５３】
改質器２３０の後ろには、図９及び図１０のいずれにおいても、凝縮器２３４が設けられており、この凝縮器２３４によって、改質ガス中の余分な水蒸気を取り除かれている。なお、凝縮器２３４とガス燃料タンクとの間にはポンプ２３６が設けられており、凝縮器２３４で得られた改質ガスをポンプ２３６で汲み上げてガス燃料タンクに供給している。
【００５４】
このようにガソリン燃料から改質ガスを生成し、得られた改質ガスをエンジンの燃料として用いる場合、内燃機関には、ガソリン燃料も改質ガス燃料も存在している。したがって、このような改質ガスを主燃料とする内燃機関において、改質ガス燃料の点火性が悪化した際に、ガソリン燃料を点火アシスト燃料として用いるのであれば、アシスト燃料の供給システムを特別に搭載する必要はなく、液体のアシスト燃料を噴射する噴射弁を設け、また、ＥＣＵが噴射量、噴射タイミングなどを制御して点火性の向上を図ることができる。
【００５５】
また、改質ガス燃料と空気との混合気の要求放電電圧が限界電圧を超える場合にガソリン燃料を併用して要求放電電圧を低下させることができる。従って、ガス燃料用に高電圧を印加可能な点火プラグ１４０を採用せずに、例えばガソリンエンジンに採用されているような、ガス燃料用プラグと比較して限界電圧の低い点火プラグをそのまま利用することも可能である。
【００５６】
さらに、上記のようにガソリン燃料を改質して得た改質ガスでは、生成環境などに応じて改質ガスの組成が大きく変化する。そして、ガス組成が変化すると、それに応じて点火プラグの要求放電電圧も変化する。よって、改質ガスを燃料とする内燃機関の点火プラグとしては、最も点火性の悪い組成のガスを希薄燃焼させ、かつ要求トルクが最大であるような場合に想定される要求放電電圧を確実に印加可能な構成が要求される。しかし、本実施形態のように、要求放電電圧が高くなる状況の場合には、ガソリン燃料を併用してその要求放電電圧を低下させれば、低コストの点火プラグを用いて、様々な使用環境下においても確実に内燃機関を動作させることが可能となる。このため開発コスト及び製造コストの低減の上でも有利である。
【００５７】
なお、図９及び図１０では、具体例１で説明したように、ガソリン燃料及び改質ガス燃料のいずれも吸気管１２０の吸気ポート付近に噴射しているが、具体例３に示したように、ガソリン燃料を筒内に直接噴射する方法を採用することもでき、この場合、燃料噴射弁４２は、図６に示したように筒内１１０に取り付ける。もちろん、改質ガス燃料についても筒内に直接噴射する方法を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施形態に係る点火プラグの要求放電電圧と混合気当量比との高負荷条件下での関係の一例を示す図である。
【図２】本実施形態に係る点火プラグの要求放電電圧と混合気当量比との低負荷条件下での関係の一例を示す図である。
【図３】本実施形態に係る具体例１の内燃機関の構成例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る具体例１で採用可能なＥＣＵに設定される燃料噴射量マップの一例を示す図である。
【図５】本実施形態に係る具体例２の点火装置及び要求放電電圧の検出部の概略等価回路を示す図である。
【図６】本実施形態に係る具体例３の内燃機関の構成例を示す図である。
【図７】図６に示す燃料の筒内直接噴射の一、例を示す図である。
【図８】図６に示す燃料の筒内直接噴射の図７とは異なる例を示す図である。
【図９】本実施形態に係る具体例４の内燃機関の構成例を示す図である。
【図１０】本実施形態に係る具体例４の内燃機関の構成の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  内燃機関、３０  主燃料（ガス燃料）供給系、３２  主燃料（ガス燃料）噴射弁、４０  液体燃料（ガソリン）供給系、４２  液体燃料（ガソリン）噴射弁、１００  ＥＣＵ（エンジン制御部）、１１０  気筒、１１４  ピストン、１２０  吸気管、１２２  スロットルバルブ、１２４  吸気弁、１２６  排気弁、１２８  排気触媒、１３０  排気管、１４０  点火プラグ、２００  水タンク、２１０，２１６，２３６  ポンプ、２１２，２１４  流量制御弁、２２０  蒸発器、２２２，２３２  加熱ヒータ、２３０  改質器、２３４  凝縮器、２５０，２６０  熱交換器。
【図１】
2007270750.tif 000003
【図２】
2007270750.tif 000004
【図３】
2007270750.tif 000005
【図４】
2007270750.tif 000006
【図５】
2007270750.tif 000007
【図６】
2007270750.tif 000008
【図７】
2007270750.tif 000009
【図８】
2007270750.tif 000010
【図９】
2007270750.tif 000011
【図１０】
2007270750.tif 000012