(57)【要約】【課題】  燃焼室に供給される作動ガスの濃度を内燃機関の熱効率が良好な値となるように変更すること。【解決手段】  内燃機関１０は、例えば、アルゴンを作動ガスとする作動ガス循環型内燃機関であり、水素供給部４０、酸素供給部５０、アルゴン供給量調整部７０及び電気制御装置８０を備えている。電気制御装置は、内燃機関に要求されるトルクである要求トルクに基づいて燃焼室２１に供給される水素の量を決定するとともに、決定された水素の量に基いて燃焼室に供給する酸素の量を決定し、水素供給部及び酸素供給部を使用して、同決定された量の水素及び酸素を燃焼室に供給する。更に、電気制御装置は、要求トルクに応じて前記燃焼室に供給される作動ガスの量を決定するとともに、同決定された量の作動ガスが同燃焼室に供給されるようにアルゴン供給量調整部を制御する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室にて水素を燃焼させ、その燃焼に伴って発生した熱により酸素よりも比熱比の大きい不活性ガスである作動ガスを膨張させて同内燃機関から動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関であって、
前記内燃機関に要求されるトルクである要求トルクに応じたトルクを同内燃機関が発生するように前記燃焼室に供給される水素及び酸素のそれぞれの量を決定するとともに、同決定された量の水素及び同決定された量の酸素を同燃焼室に供給する水素酸素供給手段と、
前記要求トルクに応じて前記燃焼室に供給される作動ガスの量を決定するとともに、同決定された量の作動ガスが同燃焼室に供給されるように同燃焼室に供給される作動ガスの量を調整する作動ガス量調整手段と、
を備えた内燃機関。
【請求項２】
内燃機関の燃焼室にて水素を燃焼させ、その燃焼に伴って発生した熱により酸素よりも比熱比の大きい不活性ガスである作動ガスを膨張させて同内燃機関から動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関であって、
前記内燃機関に要求されるトルクである要求トルクに基づいて前記燃焼室に供給される水素の量を決定するとともに、同決定された量の水素を同燃焼室に供給する水素供給手段と、
前記決定された水素の量に基いて前記燃焼室に供給する酸素の量を決定するとともに、同決定された量の酸素を同燃焼室に供給する酸素供給手段と、
前記要求トルクに基づいて前記燃焼室に供給される作動ガスの量を決定するとともに、同決定された量の作動ガスが同燃焼室に供給されるように同燃焼室に供給される作動ガスの量を調整する作動ガス量調整手段と、
を備えた内燃機関。
【請求項３】
燃焼室に水素と酸素と酸素よりも比熱比の大きい不活性ガスである作動ガスとを供給し、同水素を燃焼させることに伴って発生した熱により同作動ガスを膨張させて同内燃機関から動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関であって、
前記内燃機関の燃焼状態を表す値である燃焼状態指標値を取得する燃焼状態指標値取得手段と、
前記取得された燃焼状態指標値に基づいて前記燃焼室に供給される作動ガスの量を調整する作動ガス量調整手段と、
を備えた内燃機関。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関において、
前記燃焼状態指標値取得手段は、前記内燃機関の燃焼状態が悪化するに従って単調増加又は単調減少する値を前記燃焼室指標値として取得するように構成され、
前記作動ガス量調整手段は、前記取得された燃焼状態指標値が許容できる所定の限界燃焼状態よりも良好な燃焼状態を表す値となる範囲内において前記燃焼室に供給される作動ガス量が最大となるように同作動ガス量を調整する内燃機関。
【請求項５】
請求項３に記載の内燃機関において、
前記燃焼状態指標値取得手段は、前記内燃機関の燃焼状態が悪化するに従って単調増加又は単調減少する値を前記燃焼室指標値として取得するように構成され、
前記作動ガス量調整手段は、前記取得された燃焼状態指標値が所定の範囲内となるように前記燃焼室に供給される作動ガス量を調整する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室にて水素を燃焼させ、その燃焼に伴って発生した熱により作動ガスを膨張させて動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関（クローズドサイクルエンジン）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、アルゴン等の不活性ガスを作動ガス（熱媒体）として使用し、水素を燃焼室内にて燃焼させるとともに、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮液化して系外に排出し、その水蒸気が除去された排ガス（即ち、不活性ガス）を再び燃焼室に供給する作動ガス循環型の内燃機関が知られている。このような内燃機関の一つは、不純ガスとしてアルゴンを含む酸素ガスを酸素供給装置から吸気ポートを介して燃焼室に供給するとともに、燃焼室に水素を噴射するようになっている（特許文献１を参照。）。更に、この内燃機関は、酸素供給装置から酸素とともに系内に供給されたアルゴンの量に等しい量のアルゴンが系外に排出されるように、凝縮液化により水蒸気が除去された排ガスの一部を系外に排出するようになっている。これにより、吸気ポートを介して燃焼室に供給されるガスにおけるアルゴンの濃度が常に略一定に維持される。
【特許文献１】特開平１１−９３６８１号公報（段落００２２、００２３、００２８、００４３及び００４４）
【発明の開示】
【０００３】
ところで、内燃機関の運転状態（例えば、アクセルペダル操作量によって表される負荷）が変化して内燃機関に要求されるトルク（以下、「要求トルク」と称呼する。）が変化すると、燃焼室にて燃焼させるべき水素の量が変化し、これに伴って、燃焼室に供給される酸素の量も変化する。
【０００４】
そこで、発明者は、燃焼室に供給される水素、酸素及び作動ガスとしてのアルゴンからなるガス（以下、「混合ガス」と称呼する。）のうち、アルゴンの量（流量）を一定に維持しながら水素及び酸素の量を変化させた場合（即ち、混合ガスにおけるアルゴンの濃度を変化させた場合）の内燃機関の熱効率の変化を調べた。図１はその結果を示したグラフである。
【０００５】
図１から理解されるように、内燃機関の熱効率は、アルゴン濃度が値Ｄ０である場合に最大となる。これは、アルゴン濃度が値Ｄ０より低い範囲においては、アルゴン濃度が低下するほど燃焼室内にて発生した熱がアルゴンに伝達され難くなるためであると推定され、アルゴン濃度が値Ｄ０より高い範囲においては、アルゴン濃度が増大するほど混合ガスにおける酸素濃度が相対的に低下するために燃焼が不安定となるためであると推定される。熱効率を最大値とするアルゴン濃度の値Ｄ０は、燃焼室内にて発生する熱の量や燃焼状態により変動する。換言すると、値Ｄ０は、要求トルクに従って変化する「燃焼室に供給される水素の量及び酸素の量」に応じて変動する。なお、アルゴン濃度が値Ｄ１（＞Ｄ０）を超えると、失火が発生する。
【０００６】
しかしながら、上記文献に記載された内燃機関は、燃焼室に供給される酸素に対するアルゴンの比率を要求トルクにかかわらず一定に維持しているのみであるから、アルゴン濃度を要求トルク（燃焼室に供給される水素の量及び酸素の量）に応じた値に維持することができず、その結果、アルゴン濃度が過少となることにより内燃機関の熱効率が低下し、或いは、アルゴン濃度が過大となって燃焼が不安定になることに起因して内燃機関の熱効率が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明による内燃機関は、上記課題に対処するためになされたものであり、
内燃機関の燃焼室にて水素を燃焼させ、その燃焼に伴って発生した熱により酸素よりも比熱比の大きい不活性ガスである作動ガスを膨張させて同内燃機関から動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関であって、水素酸素供給手段と、作動ガス量調整手段と、を備える。
【０００８】
要求トルクに応じたトルクを内燃機関に発生させるためには、そのトルクを発生するのに必要な量の水素を燃焼室にて燃焼しなければならない。燃焼室にて燃焼される水素の量は、燃焼室に供給される水素及び酸素の何れか一方の量を制御するとともに、何れか他方の量を、その制御された一方の総てが他方と燃焼によって結合するのに十分な量となるように調整することにより制御され得る。上記水素酸素供給手段は、この考えに基づいて、要求トルクに応じたトルクを内燃機関が発生するように燃焼室に供給される水素及び酸素のそれぞれの量を決定するとともに、同決定された量の水素及び同決定された量の酸素を燃焼室に供給する。これにより、燃焼室に供給される水素及び酸素のそれぞれの量は、要求トルクに基づいて一義的に定められることになる。
【０００９】
一方、上記作動ガス量調整手段は、要求トルクに応じて燃焼室に供給される作動ガスの量を決定するとともに、決定された量の作動ガスが同燃焼室に供給されるように同燃焼室に供給される作動ガスの量を調整する。この結果、要求トルクが変化して水素及び酸素の量が変化した場合であっても、水素、酸素及び作動ガスからなる混合ガスにおける作動ガスの濃度を要求トルクに応じた所望の値に変更することができる。従って、燃焼状態を良好な状態に維持しながら内燃機関の熱効率を向上することができる。
【００１０】
また、本発明による他の内燃機関は、
内燃機関の燃焼室にて水素を燃焼させ、その燃焼に伴って発生した熱により酸素よりも比熱比の大きい不活性ガスである作動ガスを膨張させて同内燃機関から動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関であって、水素供給手段と、酸素供給手段と、作動ガス量調整手段と、を備える。
【００１１】
水素供給手段は、前記内燃機関に要求されるトルクである要求トルクに基づいて前記燃焼室に供給される水素の量を決定するとともに、同決定された量の水素を同燃焼室に供給する。酸素供給手段は、前記決定された水素の量に基いて前記燃焼室に供給する酸素の量を決定するとともに、同決定された量の酸素を同燃焼室に供給する。そして、作動ガス量調整手段は、前記要求トルクに応じて前記燃焼室に供給される作動ガスの量を決定するとともに、同決定された量の作動ガスが同燃焼室に供給されるように同燃焼室に供給される作動ガスの量を調整する。
【００１２】
これによれば、要求トルクに応じて水素、酸素及び作動ガスのそれぞれ量が一義的に定まる。この結果、要求トルクが変化して水素の量及び酸素の量が変化した場合であっても、水素、酸素及び作動ガスからなる混合ガスにおける作動ガスの濃度を要求トルクに応じた所望の値に変更することができる。従って、燃焼状態を良好な状態に維持しながら内燃機関の熱効率を向上することができる。
【００１３】
この場合、前記作動ガス量調整手段は、前記内燃機関の熱効率が所定の値（熱効率の最高値の近傍値）以上となるように前記燃焼室に供給される作動ガスの量を決定することができる。これによれば、要求トルクにかかわらず、内燃機関の熱効率を高い値に維持することができる。
【００１４】
本発明による他の内燃機関は、
燃焼室に水素と酸素と酸素よりも比熱比の大きい不活性ガスである作動ガスとを供給し、同水素を燃焼させることに伴って発生した熱により同作動ガスを膨張させて同内燃機関から動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関であって、燃焼状態指標値取得手段と、作動ガス量調整手段と、を備えている。
【００１５】
前記燃焼状態指標値取得手段は、前記内燃機関の燃焼状態を表す値である燃焼状態指標値を取得する。前記燃焼状態指標値は、例えば、図示平均有効圧Pmiの平均値avePmiとそれぞれの図示平均有効圧Pmiとの差の絶対値を積算した値σPmiを同図示平均有効圧の平均値avePmiで除した値（σPmi／avePmi）またはその逆数（avePmi／σPmi）であってもよい。或いは、前記燃焼状態指標値は、所定期間におけるエンジン回転速度の平均値aveNEとその期間における所定クランクアングル分（例えば、エンジンの二回転分のクランク角７２０度）に対するエンジン回転速度の瞬時値NEとの差の絶対値を積算した値σNEを同エンジン回転速度の平均値aveNEで除した値（σNE／aveNE）又はその逆数（aveNE／σNE）であってもよい。値σPmi及び値σNEは、燃焼状態が悪化するにつれて何れも増大する値である。従って、上記燃焼状態指標値は、燃焼状態が悪化するに従って単調増加又は単調減少する値である。
【００１６】
一方、前記作動ガス量調整手段は、前記取得された燃焼状態指標値に基づいて前記燃焼室に供給される作動ガスの量を調整する。
【００１７】
これによれば、燃焼状態に影響を及ぼす作動ガス量を、実際の燃焼状態に応じて変更することができる。従って、実際の燃焼状態が許容できないほど悪化しない範囲でアルゴン濃度を変更することができるので、燃焼状態の過度の悪化を招くことなく熱効率を高くしたり、或いは、燃焼状態を所望の状態に維持することができる。
【００１８】
この場合、前記作動ガス量調整手段は、前記取得された燃焼状態指標値が許容できる所定の燃焼状態よりも良好な燃焼状態を表す値となる範囲内において前記燃焼室に供給される作動ガス量が最大となるように同作動ガス量を調整することが好適である。
【００１９】
燃焼状態の悪化を考慮しなければ、混合ガス中により多くの作動ガスが存在するほど、水素の燃焼による熱をより高い効率をもって作動ガスに付与できるので、内燃機関の熱効率は良好となる。しかしながら、前述したように、作動ガス濃度が値Ｄ０を超えて高くなるほど酸素濃度がより低下するから、燃焼状態は許容できないほど悪化する。従って、上記構成のように、前記取得された燃焼状態指標値が許容できる所定の燃焼状態よりも良好な燃焼状態を表す値となる範囲内において前記燃焼室に供給される作動ガス量が最大となるように同作動ガス量を調整すれば、作動ガス濃度が値Ｄ０の近傍の値となるから、内燃機関の熱効率を極めて高い値とすることができる。
【００２０】
また、前記作動ガス量調整手段は、前記取得された燃焼状態指標値が所定の範囲内となるように前記燃焼室に供給される作動ガス量を調整することが好適である。
【００２１】
これによれば、作動ガスの濃度を、燃焼状態が過度に悪化せず、且つ、熱効率が大きい値となるように、制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
＜第１実施形態＞
以下、本発明による内燃機関（多気筒内燃機関）の各実施形態について図面を参照しながら説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関１０の概略構成図である。図２は、内燃機関１０の特定気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。この内燃機関１０は、燃焼室にて水素を燃焼させ、その燃焼に伴って発生した熱により不活性ガスである作動ガスを膨張させて同内燃機関から動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関（水素燃焼クローズドサイクルエンジン）である。
【００２３】
作動ガスは熱膨張体として機能するガスであって、不活性ガスである。作動ガスは、その比熱比が酸素より大きいガスであることが望ましく、内燃機関の熱効率を一層向上するためには、その比熱比ができるだけ大きいガスであることが望ましい。そのようなガスとしては、アルゴン、ヘリウム及びネオン等の単原子分子からなる不活性ガスが知られている。本例における作動ガスは、アルゴンである。
【００２４】
内燃機関１０は、シリンダヘッド部が形成するシリンダヘッド１１と、シリンダブロック部が形成するシリンダ１２と、シリンダ１２内において往復運動するピストン１３と、クランク軸１４と、ピストン１３とクランク軸１４とを連結しピストン１３の往復運動をクランク軸１４の回転運動に変換するためのコネクティングロッド１５と、シリンダブロックに連接されたオイルパン１６とを備えている。シリンダヘッド１１の下面、シリンダ１２の壁面及びピストン１３の頂面は、燃焼室２１を形成している。
【００２５】
シリンダヘッド１１には、燃焼室２１に連通した吸気ポート３１と、燃焼室２１に連通した排気ポート３２と、が形成されている。吸気ポート３１には吸気ポート３１を開閉する吸気弁３３が配設され、排気ポート３２には排気ポート３２を開閉する排気弁３４が配設されている。更に、シリンダヘッド１１の略中央部には、イグニッションコイルを含む点火プラグ３５が配設されている。
【００２６】
内燃機関１０は、水素供給部４０、酸素供給部５０、作動ガス循環通路部６０、アルゴン供給量調整部７０及び電気制御装置８０を備えている。
【００２７】
水素供給部４０は、水素タンク４１、水素ガス通路４２、水素ガス圧レギュレータ４３、サージタンク４４、サージタンク圧力センサ４５及び筒内噴射弁（水素噴射弁）４６を備えている。
【００２８】
水素タンク４１はガス燃料としての水素ガスを１０乃至７０ＭＰａの高圧ガス状態にて貯蔵する蓄圧タンクである。水素ガス通路４２は、水素タンク４１と筒内噴射弁４６とを連通する通路（水素ガス管、デリバリパイプ）である。水素ガス通路４２には、水素タンク４１から筒内噴射弁４６に向かう順に、水素ガス圧レギュレータ４３及びサージタンク４４が介装されている。
【００２９】
水素ガス圧レギュレータ４３は、水素ガス圧レギュレータ４３よりも下流における水素ガス通路４２（従って、サージタンク４４）内の圧力を指示信号に応じた目標水素圧力PH2tgtに調整する周知の調整圧可変型プレッシャレギュレータである。
サージタンク４４は、水素ガス噴射時に水素ガス通路４２内に発生する脈動を低減するようになっている。
【００３０】
サージタンク圧力センサ４５は、サージタンク４４に配設されている。サージタンク圧力センサ４５は、サージタンク４４内の水素ガスの圧力を検出し、その圧力（サージタンク圧力、即ち、噴射水素ガス圧力）Psgを表す信号を発生するようになっている。
筒内噴射弁４６は、駆動信号に応答して燃焼室２１内（気筒内）に水素ガスを直接噴射するようにシリンダヘッド１１に配設されている。
【００３１】
酸素供給部５０は、酸素タンク（酸素ガスタンク）５１、酸素ガス通路５２、酸素ガス圧レギュレータ５３、酸素ガス流量計５４及び酸素ガスミキサ５５を備えている。
【００３２】
酸素タンク５１は酸素ガスをガス状態にて貯蔵するタンクである。酸素ガス通路５２は、酸素タンク５１と酸素ガスミキサ５５とを連通する通路（管）である。酸素ガス通路５２には、酸素タンク５１から酸素ガスミキサ５５に向かう順に酸素ガス圧レギュレータ５３及び酸素ガス流量計５４が介装されている。
【００３３】
酸素ガス圧レギュレータ５３は、酸素ガス圧レギュレータ５３よりも下流（酸素ガスミキサ５５側）における酸素ガス通路５２内の圧力を指示信号に応じて調整する周知の調整圧可変型プレッシャレギュレータである。換言すると、酸素ガス圧レギュレータ５３は、指示信号に応答して酸素ガス通路５２を流れる酸素ガス量を調整することができるようになっている。
【００３４】
酸素ガス流量計５４は、酸素ガス通路５２を流れる酸素ガスの量（酸素ガス流量）を計測し、同酸素ガス流量FO2を表す信号を発生するようになっている。酸素ガスミキサ５５は、後述する作動ガス循環通路部６０の第２経路６２と第３経路６３との間に介装されている。酸素ガスミキサ５５は、酸素ガス通路５２を介して供給された酸素と、第２経路６２を介して入口部に供給されるガスとを混合し、その混合したガスを出口部から第３経路６３に排出するようになっている。
【００３５】
作動ガス循環通路部６０は、第１〜３経路（第１〜第３流路形成管）６１〜６３、凝縮器６４及びアルゴンガス流量計６５を備えている。
【００３６】
第１経路６１は、排気ポート３２と凝縮器６４の入口部とを接続している。第２経路６２は、凝縮器６４の出口部と酸素ガスミキサ５５の入口部とを接続している。第２経路６２にはアルゴンガス流量計６５が介装されている。第３経路６３は、酸素ガスミキサ５５の出口部と吸気ポート３１とを接続している。このように、第１〜第３経路６１〜６３は、排気ポート３２から吸気ポート３１へとガスを循環させる閉じられた経路（循環路）を構成している。
【００３７】
凝縮器６４は、第１経路６１を介して燃焼室２１から排出された排ガスを、その入口部から導入し、内部において冷却水Ｗにより冷却することにより、排ガスに含まれる水蒸気を凝縮液化するようになっている。これにより、凝縮器６４は、排ガスに含まれる水蒸気を非凝縮ガス（この場合、非凝縮ガスはアルゴンガスであり、場合により水素ガス及び／又は酸素ガスを含む。）と分離して水となし、その水を外部に排出するようになっている。更に、凝縮器６４は、前記分離した非凝縮ガスをその出口部から第２経路６２に供給するようになっている。
【００３８】
アルゴンガス流量計６５は、第２経路６２を流れる単位時間あたりのアルゴンガスの量（アルゴンガス流量）を計測し、同アルゴン流量Aractを表す信号を発生するようになっている。
【００３９】
アルゴン供給量調整部７０は、アルゴン貯蓄用タンク７１、アルゴン貯蓄用通路７２、アルゴン貯蓄用ポンプ７３、逆止弁７４、アルゴン供給用通路７５及びアルゴン供給用バルブ７６を備えている。
【００４０】
アルゴン貯蓄用タンク７１は、アルゴンを貯蓄するタンクである。アルゴン貯蓄用通路７２は、アルゴン貯蓄用タンク７１を第２経路６２に接続している。アルゴン貯蓄用ポンプ７３及び逆止弁７４は、第２経路６２からアルゴン貯蓄用タンク７１に向けて順にアルゴン貯蓄用通路７２に介装されている。
【００４１】
アルゴン貯蓄用ポンプ７３は、電動式ポンプである。アルゴン貯蓄用ポンプ７３は、駆動信号に応答して駆動され、第２経路６２内を流れるアルゴンをアルゴン貯蓄用タンク７１に供給するようになっている。逆止弁７４は、アルゴン貯蓄用ポンプ７３からアルゴン貯蓄用タンク７１へのアルゴンの流れのみを許容し、その逆の流れを阻止するようになっている。
【００４２】
アルゴン供給用通路７５は、アルゴン貯蓄用タンク７１を第２経路６２に接続している。アルゴン供給用バルブ７６は、アルゴン供給用通路７５に介装されている。アルゴン供給用バルブ７６は、駆動信号に応答し開閉するようになっている。アルゴン供給用バルブ７６が開かれると、アルゴン貯蓄用タンク７１から第２経路６２にアルゴンが供給され、アルゴン供給用バルブ７６が閉じられると、アルゴン貯蓄用タンク７１から第２経路６２へのアルゴンの供給が停止する。
【００４３】
電気制御装置８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェースを含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子装置である。電気制御装置８０には、サージタンク圧力センサ４５、酸素ガス流量計５４、アルゴンガス流量計６５、アクセルペダル操作量センサ８１及びエンジン回転速度センサ８２が接続されている。電気制御装置８０は、これらから各測定信号（検出信号）を入力するようになっている。
【００４４】
アクセルペダル操作量センサ８１は、アクセルペダルＡＰの操作量を検出し、同アクセルペダルＡＰの操作量を表す信号Accpを出力するようになっている。エンジン回転速度センサ８２は、クランク軸１４の回転速度に基づいてエンジン回転速度を表す信号ＮＥとクランク角度を表す信号とを発生するようになっている。
【００４５】
更に、電気制御装置８０は、各気筒の点火プラグ３５、各気筒の筒内噴射弁４６、水素ガス圧レギュレータ４３、酸素ガス圧レギュレータ５３、アルゴン貯蓄用ポンプ７３及びアルゴン供給用バルブ７６と接続されていて、これらに駆動信号又は指示信号を送出するようになっている。
【００４６】
次に、上記のように構成された内燃機関の作動について説明する。電気制御装置８０のＣＰＵは、図３のフローチャートにより示したルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。従って、ＣＰＵは、所定のタイミングになるとステップ３００から処理を開始し、ステップ３０５〜ステップ３２０に進んで以下の処理を行う。
【００４７】
ステップ３０５：運転者の運転操作により内燃機関に求められているトルクである要求トルクtqtgtを、その時点のアクセルペダル操作量Accp及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、ルックアップテーブルMaptqtgtと、に基づいて求める。
【００４８】
ステップ３１０：要求水素量（単位時間に必要とされる水素量、即ち、要求水素流量）H2tgtを、ステップ３０５にて求めた要求トルクtqtgt及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、図４に示したルックアップテーブルMapH2tgtと、に基づいて求める。図４に示したテーブルMapH2tgtは、アルゴン量が適量であって燃焼状態が過度に悪化しない範囲において最大の熱効率にて内燃機関１０が運転されたときに、内燃機関１０が要求トルクと等しいトルクを発生するために燃焼室２１に供給することが必要な単位時間あたりの水素の量（水素流量）を、各要求トルク及び各エンジン回転速度に対して実験により定めたテーブルである。
【００４９】
ステップ３１５：要求酸素量（単位時間に必要とされる酸素量、即ち、要求酸素流量）O2tgtを、ステップ３１０にて求めた要求水素量H2tgtと、関数funcO2と、に基づいて求める。関数funcO2は、要求水素量H2tgtをモル数に換算し、そのモル数の半分のモル数の酸素の量（或いは、要求水素量H2tgtのモル数の半分のモル数に所定のマージンを加えたモル数の酸素量）を要求酸素量O2tgtとして求める関数である。この場合、要求水素量H2tgtは要求トルクtqtgtに応じた量であるから、要求酸素量O2tgtも要求トルクtqtgtに応じて定められた量となる。
【００５０】
ステップ３２０：要求アルゴン量（単位時間に必要とされるアルゴン量、即ち、要求アルゴン流量）Artgtを、ステップ３０５にて求めた要求トルクtqtgt及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、図５に示したルックアップテーブルMapArtgtと、に基づいて求める。図５に示したテーブルMapArtgtは、図４に示したテーブルMapH2tgtを定める場合に前提となるアルゴン量を定めるものであって、内燃機関１０の熱効率が前記最大の熱効率となるアルゴン量を、各要求トルク及び各エンジン回転速度に対して実験により定めたテーブルである。換言すると、テーブルMapArtgtに応じて定められる量のアルゴンを燃焼室２１に供給すれば、混合ガス中のアルゴン濃度（作動ガス濃度）が要求トルクに応じた最適値となる。
【００５１】
次に、ＣＰＵはステップ３２５に進み、アルゴンガス流量計６５から得られるアルゴン流量Aractと、ステップ３２０にて決定された要求アルゴン量Artgtとが一致しているか否かを判定する。このとき、両者が一致していれば、ＣＰＵはステップ３２５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ３９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【００５２】
一方、アルゴン流量Aractが要求アルゴン量Artgtと一致していない場合、ＣＰＵはステップ３２５にて「Ｎｏ」と判定してステップ３３０に進み、アルゴン流量Aractが要求アルゴン量Artgtより小さいか否かを判定する。そして、アルゴン流量Aractが要求アルゴン量Artgtより小さければ、ＣＰＵはステップ３３０にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ３３５にてアルゴン供給用バルブ７６を開弁する。次いで、ＣＰＵはステップ３４０に進み、アルゴン貯蓄用ポンプ７３の駆動を停止し、ステップ３９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、アルゴン貯蓄用タンク７１から第２経路６２にアルゴンが供給される。その結果、燃焼室２１に供給されるアルゴンの量が増大し、混合ガス中のアルゴン濃度が上昇する。
【００５３】
他方、先のステップ３３０の判定時において、アルゴン流量Aractが要求アルゴン量Artgt以上であると、ＣＰＵはステップ３３０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ３４５にてアルゴン供給用バルブ７６を閉弁する。次いで、ＣＰＵはステップ３５０に進み、アルゴン貯蓄用ポンプ７３を駆動し、ステップ３９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、第２経路６２を流れるアルゴンの一部がアルゴン貯蓄用タンク７１に貯蓄される。その結果、燃焼室２１に供給されるアルゴンの量が減少し、混合ガス中のアルゴン濃度が低下する。
【００５４】
一方、ＣＰＵは、図６に示した水素噴射ルーチンを、各気筒のクランク角が所定クランク角に一致する毎に実行するようになっている。従って、ある気筒のクランク角がその気筒の所定クランク角に一致すると、ＣＰＵはステップ６００から処理を開始してステップ６０５に進み、図３のステップ３１０にて求められている要求水素量H2tgt及びその時点のエンジン回転速度ＮＥと、関数funcinjと、に基づいて噴射時間（筒内噴射弁４６の開弁時間）Tinjを決定する。このとき、関数funcinjは、更に、サージタンク圧力センサ４５が検出するサージタンク圧力Psgにも基づいて噴射時間Tinjを決定してもよい。
【００５５】
次いで、ＣＰＵはステップ６１０に進み、その気筒のクランク角が噴射開始タイミングθinjに一致した時点から噴射時間Tinjだけその気筒の筒内噴射弁４６を開弁させる駆動信号を同気筒の筒内噴射弁４６に送出する設定を行い、ステップ６９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００５６】
更に、ＣＰＵは図示しないルーチンを実行することにより、サージタンク圧力センサ４５によって検出されるサージタンク圧力Psgを所定の目標圧力に一致させるように、水素ガス圧レギュレータ４３を制御している。以上により、要求水素量H2tgtに応じた量の水素が各気筒の筒内噴射弁４６から噴射される。
【００５７】
更に、ＣＰＵは、図７に示した酸素流量制御ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵはステップ７００から処理を開始してステップ７０５に進み、酸素ガス流量計５４から得られる酸素ガス流量FO2と図３のステップ３１５にて決定されている要求酸素量O2tgtとが一致しているか否かを判定する。このとき、両者が一致していれば、ＣＰＵはステップ７０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【００５８】
一方、酸素ガス流量FO2が要求酸素量O2tgtと一致していない場合、ＣＰＵはステップ７０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ７１０に進み、酸素ガス流量FO2が要求酸素量O2tgtより小さいか否かを判定する。そして、酸素ガス流量FO2が要求酸素量O2tgtより小さければ、ＣＰＵはステップ７１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７１５に進み、酸素ガスミキサ５５を介して第３経路６３に供給される酸素の量が増大するように酸素ガス圧レギュレータ５３を制御する。その後、ＣＰＵはステップ７９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００５９】
他方、先のステップ７１０の判定時において、酸素ガス流量FO2が要求酸素量O2tgt以上であると、ＣＰＵはステップ７１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ７２０に進み、酸素ガスミキサ５５を介して第３経路６３に供給される酸素の量が減少するように酸素ガス圧レギュレータ５３を制御する。その後、ＣＰＵはステップ７９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。以上により、要求酸素量O2tgtと等しい量の酸素が内燃機関１０の燃焼室２１に供給される。
【００６０】
更に、ＣＰＵは図示しないルーチンを実行することにより、要求トルクtqtgtとエンジン回転速度ＮＥとに基づいて点火時期θigを決定し、その点火時期θigにて点火が行われるように対応する気筒の点火プラグ３５に駆動信号（点火実行指示信号）を送出する。これにより、水素が燃焼室２１にて燃焼する。
【００６１】
以上、説明したように、本発明の第１実施形態に係る内燃機関１０は、
内燃機関の燃焼室２１にて水素を燃焼させ、その燃焼に伴って発生した熱により酸素よりも比熱比の大きい不活性ガスである作動ガス（例えば、アルゴン）を膨張させて同内燃機関から動力を取り出すとともに、同燃焼室から排出された燃焼後のガス中に含まれる作動ガスを同燃焼室に再び供給する作動ガス循環型内燃機関であって、
前記内燃機関に要求されるトルクである要求トルクに応じたトルクを同内燃機関が発生するように前記燃焼室に供給される水素及び酸素のそれぞれの量を決定するとともに（図３のステップ３０５乃至ステップ３１５）、同決定された量の水素及び同決定された量の酸素を同燃焼室に供給する水素酸素供給手段（水素供給部４０、酸素供給部５０、及び、図６と図７のルーチンを実行する電気制御装置８０）と、
前記要求トルクに応じて前記燃焼室に供給される作動ガスの量を決定するとともに（図３のステップ３２０）、同決定された量の作動ガスが同燃焼室に供給されるように同燃焼室に供給される作動ガスの量を調整する作動ガス量調整手段（アルゴン供給量調整部７０、及び、図３のステップ３２５乃至ステップ３５０のうちの適当なステップを実行する電気制御装置８０）と、
を備えた内燃機関である。
【００６２】
従って、内燃機関１０は、要求トルクが変化して水素及び酸素の量が変化した場合であっても、水素、酸素及び作動ガスからなる混合ガスにおける作動ガスの濃度を要求トルクに応じた所望の値に変更することができる。この結果、内燃機関１０において、燃焼状態を良好な状態に維持しながら内燃機関の熱効率を向上することができる。
【００６３】
また、内燃機関１０は、水素供給手段と、酸素供給手段と、前述の作動ガス量調整手段と、を備える内燃機関でもある。
水素供給手段は、前記内燃機関に要求されるトルクである要求トルクに基づいて前記燃焼室に供給される水素の量を決定するとともに（図３のステップ３１０）、同決定された量の水素を同燃焼室に供給する（水素供給部４０、及び、図６のルーチンを実行する電気制御装置８０）。
酸素供給手段は、前記決定された水素の量に基いて前記燃焼室に供給する酸素の量を決定するとともに（図３のステップ３１５）、同決定された量の酸素を同燃焼室に供給する（酸素供給部５０、及び、図７のルーチンを実行する電気制御装置８０）。
【００６４】
これによれば、要求トルクに応じて水素、酸素及び作動ガスのそれぞれ量が一義的に定まる。この結果、要求トルクが変化して水素の量及び酸素の量が変化した場合であっても、水素、酸素及び作動ガスからなる混合ガスにおける作動ガスの濃度を要求トルクに応じた所望の値に変更することができる。従って、燃焼状態を良好な状態に維持しながら内燃機関の熱効率を向上することができる。
【００６５】
なお、第１実施形態においては、要求酸素量O2tgtは、要求水素量H2tgtに基づいて決定されている。これに対し、要求酸素量O2tgtを、要求トルクtqtgt及びエンジン回転速度ＮＥと、ルックアップテーブルMapO2tgtと、に基づいて要求水素量H2tgtを介することなく直接的に求めてもよい。
【００６６】
更に、第１実施形態においては、要求トルクtqtgtに応じて要求水素量H2tgtが求められ、求められた要求水素量H2tgtの水素が燃焼室２１に供給されるとともに、その要求水素量H2tgtの水素を燃焼させるために必要な酸素量よりも多い量が要求酸素量O2tgtとして求められ、その求められた要求酸素量O2tgtの酸素が燃焼室２１に供給されている。
【００６７】
これに対し、要求トルクtqtgtに応じて要求水素量H2tgtを求め、その要求水素量H2tgtのモル数の丁度半分のモル数の酸素量を要求酸素量O2tgtとして求め、その求められた要求酸素量O2tgtの酸素を燃焼室２１に供給するとともに、要求水素量H2tgtよりも多い量の水素を燃焼室２１に供給してもよい。
【００６８】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る内燃機関について説明する。この内燃機関は、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）を、内燃機関の燃焼状態を表す値（以下、「燃焼状態指標値」と称呼する。）として取得し、取得した図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）に基づいてアルゴン量を制御する。図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）は、後に詳述するように、図示平均有効圧Pmiの平均値avePmiとそれぞれの図示平均有効圧Pmiとの差の絶対値を積算した値σPmiを同図示平均有効圧の平均値avePmiで除した値である。燃焼状態が悪化すれば図示平均有効圧Pmiの変動幅が大きくなるから、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）は燃焼状態の悪化に伴って単調増加する。
【００６９】
図８は、燃焼室２１に供給される水素及び酸素の各量を所定の値に維持した場合における、混合ガスのアルゴン濃度に対する図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）及び内燃機関１０の熱効率の変化の様子を示したグラフである。図８のグラフから理解されるように、アルゴン濃度が低い値から次第に増大してゆくと、混合ガスの酸素濃度が相対的に減少するから、燃焼状態が悪化してくる。従って、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）は次第に増大する。一方、熱効率は、アルゴン濃度が値Ｄ０より小さい範囲においては、アルゴン濃度の増大とともに増大する。
【００７０】
アルゴン濃度が、熱効率が最大となる値Ｄ０よりも僅かに小さい値ＤＨを超えると、混合ガス中の酸素濃度が低下しすぎることに起因して燃焼状態が許容できないほど悪化する。換言すると、アルゴン濃度が値Ｄ０のとき、熱効率は最大となるが、その状態では燃焼状態が悪化しすぎて振動が過度に激しくなる。
【００７１】
そこで、この内燃機関は、アルゴン濃度が値ＤＨより僅かに小さい値ＤＬと値ＤＨとの間の値となるようにアルゴン濃度を制御する。具体的には、アルゴン濃度が値ＤＨであるときの図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）は値ＰＨ（＝(σPmi／avePmi)driving、高側閾値）であり、アルゴン濃度が値ＤＬであるときの図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）は値ＰＬ（＝(σPmi／avePmi)efficient、低側閾値）であるから、この内燃機関は、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が値ＰＬ〜値ＰＨの範囲内となり、且つ、値ＰＨに近づくように（アルゴン濃度が最大となるように）アルゴン供給量を制御する。これにより、この内燃機関は、燃焼状態の過度の悪化を招くことなく、極めて高い熱効率で運転され得る。
【００７２】
実際には、第２実施形態に係る内燃機関は、図１に破線にて示した筒内圧センサ８３
を更に備える点、及び、電気制御装置８０のＣＰＵが図３に代わる図９乃至図１１のフローチャートにより示したルーチンを実行する点において第１実施形態に係る内燃機関１０と相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。なお、筒内圧センサ８３は、燃焼室２１内の圧力（筒内圧）を検出し、検出した筒内圧Pcyを表す信号を電気制御装置８０に出力するようになっている。
【００７３】
このＣＰＵは、要求トルクtqtgtの急変に伴って要求アルゴン量Artgtが急変したとき、所定時間だけアルゴン量をオープンループ制御し、その後、アルゴン量を図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）に基づいてフィードバック制御する。
【００７４】
具体的に述べると、ＣＰＵは図９に示したアルゴン量オープンループ制御ルーチンを所定時間の経過毎に実行するようになっている。なお、図９において、図３と同一のステップには同一の符号が付されている。
【００７５】
所定のタイミングになると、ＣＰＵはステップ９００から処理を開始し、上述したステップ３０５乃至ステップ３２０の処理を行う。これにより、要求トルクtqtgt、要求水素量H2tgt、要求酸素量O2tgt及び要求アルゴン量Artgtが決定される。次いで、ＣＰＵはステップ９０５に進み、本ルーチンを前回に実行した時点の要求アルゴン量Artgtoldと現時点の要求アルゴン量Artgtとの差を要求アルゴン変化量dArtgtとして求める。次いで、ＣＰＵはステップ９１０に進み、要求アルゴン変化量dArtgtの絶対値が基準値dArthより大きいか否かを判定する。
【００７６】
いま、要求トルクtqtgtの急変に伴って要求アルゴン量Artgtが急変したと仮定して説明を続けると、ＣＰＵはステップ９１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１５に進み、フィードバック許可フラグＸＦＢの値を「０」に設定する。次いで、ＣＰＵはステップ３２５に進み、現時点の実際のアルゴン流量Aractと要求アルゴン量Artgtとが一致しているか否かを判定する。
【００７７】
現時点は、要求アルゴン量Artgtが急変した直後である。従って、アルゴン流量Aractと要求アルゴン量Artgtとは一致しない。このため、ＣＰＵはステップ３２５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ３３０乃至ステップ３５０のうちの適当なステップの処理を実行する。これにより、実際のアルゴン流量Aractが要求アルゴン量Artgtへと向かって変化する。次いで、ＣＰＵはステップ９２０に進み、前回の要求アルゴン量Artgtoldとして現時点の要求アルゴン量Artgtを設定し、ステップ９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００７８】
その後、要求アルゴン量Artgtが安定した状態が継続すると、ＣＰＵはステップ９１０に進んだとき、同ステップ９１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ９２５に進み、フィードバック許可フラグＸＦＢの値が「０」であるか否かを判定する。この場合、フィードバック許可フラグＸＦＢの値は「０」であるから、ＣＰＵはステップ９２５にて「Ｙｅｓ」と判定し、再びステップ３２５以降に進む。
【００７９】
このような処理は、要求アルゴン量Artgtが急変しない限り繰り返し実行される。従って、所定の時間が経過すると、実際のアルゴン流量Aractが要求アルゴン量Artgtと一致する。このとき、ＣＰＵが図９に示したルーチンを実行すると、ステップ３２５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ９３０に進んでフィードバック許可フラグＸＦＢの値を「１」に設定する。以上の制御により、実際のアルゴン流量Aractが急変後の要求アルゴン量Artgtに速やかに近づく。
【００８０】
一方、ＣＰＵは図１０のフローチャートにより示したアルゴン量フィードバック制御ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵはステップ１０００から処理を開始し、ステップ１００５にてフィードバック許可フラグＸＦＢの値が「１」であるか否かを判定する。
【００８１】
このとき、フィードバック許可フラグＸＦＢの値が「０」であれば、ＣＰＵはステップ１００５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１０９５に直接進み、本ルーチンを一旦終了する。即ち、フィードバック許可フラグＸＦＢの値が「０」であるとき、ＣＰＵはアルゴン量のフィードバック制御を行わない。
【００８２】
一方、フィードバック許可フラグＸＦＢの値が上述した図９のステップ９３０にて「１」に設定されていると、ＣＰＵはステップ１００５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０１０に進み、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiが更新された直後であるか否かを判定する。後述するように、内燃機関の運転状態が所定期間に亘り安定している場合（要求トルクtqtgtが所定期間に亘り急変していない場合）、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiは更新される。
【００８３】
いま、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiが更新された直後であると仮定して説明を続けると、ＣＰＵはステップ１０１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０１５に進み、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が低側閾値である上述の値ＰＬより大きく、且つ、高側域値である上述の値ＰＨより小さいか否かを判定する。即ち、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が低側閾値ＰＬ〜高側閾値ＰＨの範囲内にあるか否かが判定される。このとき、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が低側閾値ＰＬ〜高側閾値ＰＨの範囲内にあれば、ＣＰＵはステップ１０１５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００８４】
一方、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が低側閾値ＰＬ〜高側閾値ＰＨの範囲内にないと、ＣＰＵはステップ１０１５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ１０２０に進んで図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が高側閾値ＰＨより大きいか否かを判定する。仮に、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が高側閾値ＰＨより大きければ、アルゴン量（アルゴン濃度）が過大であって、燃焼が許容でいない程度にまで不安定となっていることを意味する。そこで、ＣＰＵは、そのような場合、ステップ１０２０にて「Ｙｅｓ」と判定して１０２５に進み、アルゴン供給用バルブ７６を閉弁する。次いで、ＣＰＵはステップ１０３０に進み、アルゴン貯蓄用ポンプ７３を駆動し、ステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、第２経路６２を流れるアルゴンの一部がアルゴン貯蓄用タンク７１に貯蓄され、燃焼室２１に供給されるアルゴン量が低減する（混合気のアルゴン濃度が低下する）。
【００８５】
他方、ステップ１０２０の判定時において、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が高側閾値ＰＨ以下であれば、アルゴン量（アルゴン濃度）を増大しても燃焼が許容でいない程度にまで不安定とはならず、且つ、熱効率を向上することができることを意味する。そこで、ＣＰＵは、そのような場合、ステップ１０２０にて「Ｎｏ」と判定して１０３５に進み、アルゴン供給用バルブ７６を開弁する。次いで、ＣＰＵはステップ１０４０に進み、アルゴン貯蓄用ポンプ７３の駆動を停止し、ステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。これにより、アルゴン貯蓄用タンク７１から第２経路６２にアルゴンが供給され、混合気のアルゴン濃度が増大する。以上により、アルゴン濃度は、燃焼が不安定とならない範囲内（図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が低側閾値ＰＬ〜高側閾値ＰＨの範囲内）で、最大の値となるようにフィードバック制御される。
【００８６】
なお、要求トルクtqtgtの急変があってから、実際のアルゴン流量Aractと要求アルゴン量Artgtとが一致してフィードバック許可フラグＸＦＢが図９のステップ９３０にて「１」に設定された状態において、要求トルクtqtgtの急変がないとき、ＣＰＵは図９のステップ９１０及びステップ９２５の両ステップにて「Ｎｏ」と判定し、直接ステップ９９５に進む。従って、この場合、アルゴン量のオープンループ制御（フィードフォワード制御）は実行されない。
【００８７】
また、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiが更新された直後以外のタイミングにて、ＣＰＵが図１０のステップ１０１０の処理を実行すると、ＣＰＵは同ステップ１０１０にて「Ｎｏ」と判定して直接ステップ１０９５に進む。これにより、アルゴン量のフィードバック制御は、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiが更新される毎に実行されることになる。
【００８８】
更に、ＣＰＵは図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）を計算するために、図１１のフローチャートにより示したルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵはステップ１１００から処理を開始し、ステップ１１０５にて「フィードバック許可フラグＸＦＢの値が「０」から「１」に変化してからＮサイクル以上経過しているか否か（内燃機関が２・Ｎ回転以上回転したか否か）」を判定する。このとき、フィードバック許可フラグＸＦＢの値が「０」から「１」に変化してからＮサイクル以上経過していなければ、ＣＰＵはステップ１１０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１１９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。従って、この場合、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiは更新されない。
【００８９】
一方、フィードバック許可フラグＸＦＢの値が「０」から「１」に変化してからＮサイクル以上経過していると、ＣＰＵはステップ１１０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１１１０に進み、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiが前回更新されてからＮサイクル以上が経過したか否かを判定する。このとき、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiが前回更新されてからＮサイクル以上経過していなければ、ＣＰＵはステップ１１１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ１１９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。従って、この場合、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiは更新されない。
【００９０】
いま、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiが前回更新されてからＮサイクル以上経過していると仮定すると、ＣＰＵはステップ１１１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１１１５に進み、過去Ｎサイクル分の図示平均有効圧Pmiの平均値を図示平均有効圧平均値avePmiとして算出する。なお、各サイクルの図示平均有効圧Pmiは、図示しないルーチンにより、筒内圧センサ８３により検出される筒内圧Pcyとエンジン回転速度センサ８２により検出されるクランク角とに基づいて別途計算され、ＲＡＭに記憶されている。
【００９１】
次に、ＣＰＵはステップ１１２０に進み、過去Ｎサイクルの各サイクルの図示平均有効圧Pmiと同過去Ｎサイクルについての図示平均有効圧平均値avePmiとの差の絶対値を求め、その絶対値を過去Ｎサイクルに亘って積算し、その積算値を図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiとする。そして、ＣＰＵはステップ１１９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。これにより、図示平均有効圧平均値avePmiと図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiとが算出される。
【００９２】
なお、ステップ１１０５の存在により、フィードバック許可フラグが「０」から「１」に変更されてからＮサイクルが経過するまでは、図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiは更新されない。従って、この期間においては、図１０のステップ１０１５乃至ステップ１０４０によるアルゴン量のフィードバック制御は実行されない。これは、要求トルクtqtgtが急変した後はオープンループ制御によって実際のアルゴン量Aractが急変後の要求トルクに基づく要求アルゴン量Artgtにほぼ一致してから、改めて図示平均有効圧平均値avePmiと図示平均有効圧変動幅の積算値σPmiとを求め直す、即ち、「燃焼状態指標値」である図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）を求め直す必要があるからである。
【００９３】
以上、説明したように、第２実施形態に係る内燃機関は、第１実施形態と同様の作動ガス循環型内燃機関であって、
前記内燃機関の燃焼状態を表す値である燃焼状態指標値を取得する燃焼状態指標値取得手段（筒内圧センサ８３及び図１１のルーチンを実行する電気制御装置８０）と、
前記取得された燃焼状態指標値に基づいて前記燃焼室に供給される作動ガスの量を調整する作動ガス量調整手段（アルゴン供給量調整部７０、及び、図１０のルーチンを実行する電気制御装置８０）と、
を備えている。
【００９４】
従って、第２実施形態に係る内燃機関は、燃焼状態に影響を及ぼす作動ガス量（アルゴンガス量）を、実際の燃焼状態に応じて変更することができる。この結果、実際の燃焼状態が許容できないほど悪化しない範囲でアルゴン濃度を変更することができるので、燃焼状態の過度の悪化を招くことなく略最高の熱効率にて内燃機関を運転することができる。
なお、アルゴン濃度のフィードバック制御範囲を、より安定した燃焼状態が得られる範囲に設定すれば（即ち、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が、例えば、値ＤＬより小さい値から値ＤＬまでの範囲となるようにアルゴン量をフィードバック制御すれば）、ある程度高い熱効率を維持しながら燃焼状態をより良好な状態に維持することができる。
【００９５】
＜第２実施形態の第１変形例＞
第２実施形態の第１変形例は、ＣＰＵが図１０に代わる図１２のフローチャートにより示したアルゴン量フィードバック制御ルーチンを所定時間の経過毎に実行する点のみにおいて、第２実施形態の内燃機関と相違している。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。なお、図１２において、図１０と同一のステップには同一の符号が付されている。
【００９６】
図１２に示したルーチンによっても、ステップ１００５及びステップ１０１０にて「Ｙｅｓ」と判定されて、ＣＰＵがステップ１２０５以降に進んだ場合にのみ、アルゴン量がフィードバック制御される。具体的に述べると、ＣＰＵはステップ１２０５にて図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が低側閾値ＰＬより小さいか否かを判定する。そして、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が低側閾値ＰＬより小さいとき、ＣＰＵはステップ１０３５及びステップ１０４０に進み、燃焼室２１に供給されるアルゴン量を増大する（混合気におけるアルゴン濃度を増加させる）。
【００９７】
一方、ステップ１２０５の判定時において、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が低側閾値ＰＬ以上であると、ＣＰＵはステップ１２０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１０２０に進み、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が高側閾値ＰＨより大きいか否かを判定する。そして、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）が高側閾値ＰＨより大きいとき、ＣＰＵはステップ１０２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０２５及びステップ１０３０に進み、燃焼室２１に供給されるアルゴン量を減少させる（混合気におけるアルゴン濃度を低下させる）。
【００９８】
この結果、アルゴン濃度は、図８に示した値ＤＬより大きく且つ値ＤＨより小さい範囲内に制御される。従って、燃焼状態が不安定にならず、且つ、熱効率を極めて高い値に維持することができる。
【００９９】
＜第２実施形態の第２変形例＞
第２実施形態の第２変形例は、そのＣＰＵが、図９のステップ３０５乃至ステップ３１５のみからなるルーチンを図９のルーチンに代えて実行するとともに、図１０のステップ１００５を省略したルーチンを図１０のルーチンに代えて実行するものである。これによれば、オープンループ制御が省略される。なお、同様に、ＣＰＵは、図９のステップ３０５乃至ステップ３１５のみからなるルーチンを図９のルーチンに代えて実行するとともに、図１２のステップ１００５を省略したルーチンを図１２のルーチンに代えて実行してもよい。これによっても、オープンループ制御が省略される。
【０１００】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る内燃機関について説明する。この内燃機関は、燃焼状態指標値として、第２実施形態の内燃機関が使用した図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）に代え、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）を使用する点において、第２実施形態の内燃機関と相違する。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。
【０１０１】
エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）は、所定期間（過去Ｎサイクル）におけるエンジン回転速度の平均値aveNEとその期間における所定クランクアングル分（例えば、エンジンの１サイクルに相当するクランク角７２０度）に対するエンジン回転速度の瞬時値NEとの差の絶対値を積算した値σNE（以下、「エンジン回転変動幅積算値σNE」と称呼する。）を同エンジン回転速度の平均値aveNEで除した値（σNE／aveNE）である。燃焼状態が悪化すればエンジン回転速度NEの変動幅が大きくなるから、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）は燃焼状態の悪化に伴って単調増加する。即ち、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）は、燃焼状態に応じて図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）と同様に変化する。
【０１０２】
図１３は、燃焼室２１に供給される水素及び酸素の各量を所定の値に維持した場合における、混合ガスのアルゴン濃度に対するエンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）及び内燃機関１０の熱効率の変化の様子を示したグラフである。図１３のグラフと図８のグラフとの比較から理解されるように、燃焼状態指標値として、図示平均有効圧変動率（σPmi／avePmi）に代えてエンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）を使用しても、アルゴン濃度を値ＤＬと値ＤＨとの間の値となるように制御することができる。
【０１０３】
具体的には、アルゴン濃度が値ＤＨであるときのエンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）は値ＮＨ（＝(σNE／aveNE)driving、高側閾値）であり、アルゴン濃度が値ＤＬであるときのエンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）は値ＮＬ（＝(σNE／aveNE)efficient、低側閾値）である。従って、この内燃機関は、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）が値ＮＬ〜値ＮＨの範囲内となり、且つ、アルゴン濃度が最大となるように（即ち、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）が値ＮＨにできるだけ近づくように）アルゴン供給量を制御する。これにより、この内燃機関は、燃焼状態の過度の悪化を招くことなく、極めて高い熱効率で運転され得る。
【０１０４】
この内燃機関は、そのＣＰＵが、図１０及び図１１に示したルーチンにそれぞれ代わる図１４及び図１５に示したルーチンを実行する点のみにおいて、第２実施形態の内燃機関と相違している。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。なお、図１４において図１０と同一のステップには同一の符号が付され、図１５において図１１と同一のステップには同一の符号が付されている。
【０１０５】
図１０と図１４との比較から理解されるように、この内燃機関のＣＰＵは、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）が低側閾値ＮＬ〜高側閾値ＮＨの範囲内にあれば、ステップ１４２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１４９５に直接進む。従って、この場合、アルゴン量（アルゴン濃度）は変化しない。
【０１０６】
一方、このＣＰＵは、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）が低側閾値ＮＬ〜高側閾値ＮＨの範囲内にないとき、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）が高側閾値ＮＨより大きければステップ１０２５及びステップ１０３０に進み、燃焼室２１に供給されるアルゴン量を減少させる（混合気におけるアルゴン濃度を低下させる）。他方、ＣＰＵは、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）が低側閾値ＮＬ〜高側閾値ＮＨの範囲内になく、且つ、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）が高側閾値ＮＨ以下であれば、ステップ１０３５及びステップ１０４０に進み、燃焼室２１に供給されるアルゴン量を増大させる（混合気におけるアルゴン濃度を増大させる）。
【０１０７】
更に、図１１と図１５との比較から理解されるように、この内燃機関のＣＰＵは、以下の条件１乃至条件３が統べて成立した場合にのみ、ステップ１５１５及びステップ１５２０にて、エンジン回転速度平均値aveNE及びエンジン回転変動幅積算値σNEをそれぞれ計算する。
【０１０８】
（条件１）フィードバック許可フラグＸＦＢの値が「０」から「１」に変化してからＮサイクル以上経過している（ステップ１１０５）。
（条件２）エンジン回転変動幅積算値σNEが前回更新されてからＮサイクル以上が経過している（ステップ１５０５）。
【０１０９】
（条件３）現時点から過去Ｎサイクル以上に亘り定常運転が継続している（ステップ１５１０）。即ち、例えば、現時点から過去Ｎサイクルまでの期間におけるアクセルペダル操作量Accpの変化速度（dAccp/dt）の絶対値の最大値が所定値以下であり、エンジン回転速度ＮＥの変化量（dＮＥ/dt）の絶対値の最大値が所定値以下である。
条件３（ステップ１５１０）は、アルゴン濃度が燃焼状態に及ぼす影響のみがエンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）に反映されるように、運転者による運転操作に基づくエンジン回転速度ＮＥの変化をエンジン回転変動幅積算値σNEから除外するために設けられた条件であり、必ずしも必須ではない。
【０１１０】
以上により、アルゴン濃度は、燃焼が不安定とならない範囲内（エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）が低側閾値ＮＬ〜高側閾値ＮＨの範囲内）で、最大の値となるようにフィードバック制御される。この結果、実際の燃焼状態が許容できないほど悪化しない範囲において、略最高の熱効率にて内燃機関を運転することができる、
【０１１１】
なお、第２実施形態と第２実施形態の第１変形例との関係と同様、第３実施形態においても図１４に代えて図１６のフローチャートにより示したルーチンを実行することにより、エンジン回転速度変動率（σNE／aveNE）が低側閾値ＮＬ〜高側閾値ＮＨの範囲内に維持されるように、アルゴン濃度を制御してもよい。
【０１１２】
以上、説明したように、本発明による内燃機関の各実施形態は、要求トルクや燃焼状態に応じて混合気のアルゴン濃度（燃焼室２１に供給されるアルゴン量）を制御することができるので、高い熱効率をもって運転され得る。なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、本発明は、水素ガスを拡散燃焼させるディーゼルエンジンにも当然に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】作動ガスとしてのアルゴンの濃度（アルゴン流量）に対する内燃機関の熱効率の変化を示すグラフである。
【図２】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図３】図２に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図４】図２に示した電気制御装置のＣＰＵが要求水素量を決定する際に参照するルックアップテーブルである。
【図５】２に示した電気制御装置のＣＰＵが要求アルゴン量を決定する際に参照するルックアップテーブルである。
【図６】図２に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図７】図２に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る内燃機関の作動を説明するためのグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態に係る内燃機関のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る内燃機関のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る内燃機関のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図１２】本発明の第２実施形態の第１変形例に係る内燃機関のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る内燃機関の作動を説明するためのグラフである。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る内燃機関のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る内燃機関のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【図１６】本発明の第３実施形態の変形例に係る内燃機関のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１４】
１０…作動ガス循環型多気筒水素ガスエンジン（内燃機関）、１１…シリンダヘッド、１２…シリンダ、１３…ピストン、２１…燃焼室、４０…水素供給部、４１…水素タンク、４３…水素ガス圧レギュレータ、４４…サージタンク、４５…サージタンク圧力センサ、４６…筒内噴射弁、５０…酸素供給部、５１…酸素タンク、５３…酸素ガス圧レギュレータ、５４…酸素ガス流量計、６０…作動ガス循環通路部、６４…凝縮器、６５…アルゴンガス流量計、７０…アルゴン供給量調整部、７１…アルゴン貯蓄用タンク、７２…アルゴン貯蓄用通路、７３…アルゴン貯蓄用ポンプ、７４…逆止弁、７５…アルゴン供給用通路、７６…アルゴン供給用バルブ、８０…電気制御装置、８１…アクセルペダル操作量センサ、８２…エンジン回転速度センサ、８３…筒内圧センサ。
【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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