(57)【要約】【課題】炭化水素とアルコールとの混合燃料を用い、広い範囲の要求負荷に対して、効率よく運転できる内燃機関を提供する。【解決手段】吸気ポート４ａ，４ｂに、２つのインジェクター５ａ，５ｂとを備える。炭化水素燃料を噴射する第１のインジェクター５ａと、アルコール系燃料を噴射する第２のインジェクター５ｂとからなる。運転状態から最適な燃焼方式を選択し、それぞれの燃焼方式に応じて適正なアルコール比率に調整する。また、炭化水素燃料を燃焼室の内周部に案内する第１の吸気ポート４ａと、アルコール系燃料を該燃焼室の外周部に案内する第２の吸気ポート４ｃとを備え、シリンダ内のオクタン価分布を制御する。アルコールと炭化水素とからなる混合燃料に水を添加して、アルコールと水とからなるアルコール系燃料と、炭化水素燃料とに分離する分離手段８を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に混合気を案内する吸気ポートと、該吸気ポートに燃料を噴射する２つのインジェクターとを備える内燃機関において、
該インジェクターは、炭化水素燃料を噴射する第１のインジェクターと、アルコール系燃料を噴射する第２のインジェクターとからなることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
低負荷時には第２のインジェクターから噴射される前記アルコール系燃料よりも第１のインジェクターから噴射される前記炭化水素燃料の比率を高くし、高負荷時には第１のインジェクターから噴射される該炭化水素燃料よりも第２のインジェクターから噴射される該アルコール系燃料の比率を高くすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記燃焼室は点火プラグを備え、自己圧縮着火と該点火プラグによる強制点火とを切替可能であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記吸気ポートは、第１のインジェクターから噴射される前記炭化水素燃料を該燃焼室の内周部に案内する第１の吸気ポートと、第２のインジェクターから噴射される前記アルコール系燃料を前記燃焼室の外周部に案内する第２の吸気ポートとからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の内燃機関。
【請求項５】
アルコールと炭化水素とからなる混合燃料に水を添加して、アルコールと水とからなるアルコール系燃料と、炭化水素からなる炭化水素燃料とに分離する分離手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素とアルコールとの混合燃料を用いる内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の燃費を向上し、排出物を低減するために、予混合圧縮着火内燃機関に代表される圧縮着火内燃機関が検討されている。圧縮着火内燃機関は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入し、圧縮して自着火させるものである。
【０００３】
しかし、圧縮着火内燃機関は、火花点火方式の内燃機関と異なり着火のタイミングを制御することが難しく、安定に運転することができる運転領域が狭いとの問題がある。前記問題は、さらに詳しくは、着火性の高い燃料を用いると該機関の要求負荷が高くなったときにノッキングを起こしやすく、着火性の低い燃料を用いると該機関の要求負荷が低くなったときに失火しやすいということである。
【０００４】
前記問題を解決するために、従来、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料とを備え、両燃料を混合して該機関に供給する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。前記技術によれば、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷に対応して、両燃料の混合比を調整することにより、広い範囲の要求負荷に対して安定して運転することができる。しかし、前記技術では、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料とをそれぞれ別に準備し収容しておく必要がある。
【０００５】
これに対して、単一の燃料を用い、前記圧縮着火内燃機関の要求負荷が高くなったときには、該燃料の一部を部分酸化して着火性抑制物質を生成させる技術も知られている（例えば特許文献２参照）。前記技術は、具体的には、軽油等の炭化水素系燃料の一部を部分酸化してホルムアルデヒド等の着火性抑制物質を生成させるものである。しかしながら、前記軽油等の炭化水素を部分酸化してホルムアルデヒドを生成させるには、高温で長時間の反応が必要になるという不都合がある。
【０００６】
ところで、内燃機関の燃料として、炭化水素とアルコールとの混合燃料を用いることが検討されている。前記混合燃料は前記アルコールとしてエタノールを用いる場合、エタノールによる所謂カーボンニュートラル効果を得ることができるので、二酸化炭素排出量の削減に寄与することができる。尚、前記カーボンニュートラル効果とは、エタノールの原料となる植物は、その成育過程で光合成を行うことにより二酸化炭素を吸収しているので、エタノールを燃焼させて二酸化炭素を発生しても、全体としては新たな二酸化炭素を排出したことにならない、というものである。
【０００７】
しかしながら、前記混合燃料は、ガソリンと同様の単一燃料としてシリンダーに供給し、火花点火により着火するときには、十分に高い効率を得ることができないという不都合がある。
【特許文献１】特開２００１−３５５４７１号公報
【特許文献２】特開２０００−２１３４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる不都合を解消して、炭化水素とアルコールとの混合燃料を用い、広い範囲の要求負荷に対して、効率よく運転することができる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】
【０００９】
かかる目的を達成するために、本発明は、燃焼室に混合気を案内する吸気ポートと、該吸気ポートに燃料を噴射する２つのインジェクターとを備える内燃機関において、該インジェクターは、炭化水素燃料を噴射する第１のインジェクターと、アルコール系燃料を噴射する第２のインジェクターとからなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の内燃機関では、第１のインジェクターからは前記炭素燃料が噴射され、第２のインジェクターからは前記アルコール系燃料が噴射されるので、該内燃機関の要求負荷に応じて、該炭化水素燃料と該アルコール系燃料との噴射量をそれぞれ独立に制御することができる。従って、本発明の内燃機関によれば、前記炭化水素燃料と前記アルコール系燃料との噴射比率を容易に調整することができ、広い範囲の要求負荷に対して最適な燃焼方式に制御し効率よく運転することができる。
【００１１】
前記炭化水素燃料と前記アルコール系燃料との噴射比率の調整は、具体的には、低負荷時には第２のインジェクターから噴射される前記アルコール系燃料よりも第１のインジェクターから噴射される前記炭化水素燃料の比率を高くし、高負荷時には第１のインジェクターから噴射される該炭化水素燃料よりも第２のインジェクターから噴射される該アルコール系燃料の比率を高くするように行う。
【００１２】
また、本発明の内燃機関において、前記燃焼室は点火プラグを備え、自己圧縮着火と該点火プラグによる強制点火とを切替可能であるようにしてもよい。このようにするときには、前記内燃機関は、要求負荷に応じて好適な燃焼方式に制御される。即ち、圧縮着火可能な場合には、前記アルコール系燃料の比率を適正に保ち、着火タイミングが適正に制御される。また、点火プラグによる強制点火を行う場合には、点火タイミングを効率が最大となるように設定した場合でも、ノッキングを起こさないように、前記アルコール系燃料の比率が制御される。
【００１３】
また、本発明の内燃機関において、前記吸気ポートは、第１のインジェクターから噴射される前記炭化水素系燃料を前記燃焼室の内周部に案内する第１の吸気ポートと、第２のインジェクターから噴射される前記アルコール系燃料を該燃焼室の外周部に案内する第２の吸気ポートとからなることを特徴とする。前記第１の吸気ポートとしては、例えば、通常のストレートタイプの吸気ポートを用いることができる。また、前記第２の吸気ポートとしては、例えば、スワールポートを用いることができる。
【００１４】
前記第１、第２の両吸気ポートでは、前記燃焼室内に案内された燃料により、該燃焼室の内周部にはオクタン価の低い領域を形成し、該燃焼室の外周部にはオクタン価の高い領域を形成するというように、該燃焼室内にオクタン価分布を形成することができ、高負荷時にノッキングを防止することができる。前記第１、第２の両吸気ポートは、前記アルコール系燃料と前記炭化水素燃料との噴射比率の調整と併用することにより、高負荷時にはさらに確実にノッキングを防止することができる。
【００１５】
さらに、本発明の内燃機関は、前記アルコール系燃料と前記炭化水素燃料とをそれぞれ別々に備えていてもよいが、アルコールと炭化水素とからなる混合燃料に水を添加して、アルコールと水とからなるアルコール系燃料と、炭化水素からなる炭化水素燃料とに分離する分離手段を備えることが好ましい。
【００１６】
前記分離手段において、前記混合燃料に水を添加すると、前記アルコールは前記水と相溶性があるので水との混合液を形成するが、前記炭化水素は水に不溶であるため、該混合液と該炭化水素とが分離する。また、前記混合液と前記炭化水素とでは、水を含む該混合液の方が比重が大であるので、該混合液と該炭化水素は重力により上下２層に分離する。従って、前記分離手段によれば、前記混合液からなる前記アルコール系燃料と、前記炭化水素からなる前記炭化水素燃料との２種類の燃料を、前記混合燃料という単一の燃料から容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の内燃機関の構成を示すシステム構成図であり、図２は図１に示す吸気ポートの変形例を示す図であり、図３は図２に示す吸気ポートを備えるシリンダの説明的断面図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の内燃機関は、２つの吸気バルブ１ａ，１ｂを備えるシリンダヘッド２と、吸気バルブ１ａ，１ｂに接続された吸気管３とを備えている。シリンダヘッド２は、図示しないシリンダの頂部を形成するものであり、該シリンダには点火プラグが設けられている。
【００１９】
吸気管３の先端部は２つに分岐して、吸気バルブ１ａに接続される吸気ポート４ａと、吸気バルブ１ｂに接続される吸気ポート４ｂとを形成している。吸気ポート４ａ，４ｂはいずれもストレートタイプであり、吸気管３内には吸気ポート４ａに炭化水素燃料を噴射するインジェクター５ａと、吸気ポート４ｂにアルコール系燃料を噴射するインジェクタータ５ｂとが設けられている。尚、シリンダヘッド２は吸気バルブ１ａ，１ｂと共に排気バルブ６ａ，６ｂを備えており、排気バルブ６ａ，６ｂは図示しない排気管に接続されている。
【００２０】
また、前記内燃機関は、アルコールと炭化水素との混合燃料を貯留する燃料タンク７と、燃料タンク７から供給される該混合燃料に水を添加して、該混合燃料を、アルコールと水との混合液からなるアルコール系燃料と、炭化水素からなる炭化水素燃料とに分離する分離器８とを備えている。分離器８は、前記炭化水素燃料を供給する導管９ａを介してインジェクター５ａに接続されていると共に、前記アルコール系燃料を供給する導管９ｂを介してインジェクター５ｂに接続されている。
【００２１】
さらに、前記内燃機関は、インジェクター５ａから噴射される前記炭化水素燃料と、インジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料との噴射量、噴射比率を制御する制御装置１０を備えている。制御装置１０は、前記内燃機関の運転状態にかかる各種の量を検知する運転状態量センサ１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎに接続されている。
【００２２】
次に、前記内燃機関の作動について説明する。
【００２３】
本実施形態の内燃機関は、液体炭化水素とエタノール等のアルコールとの混合燃料を用いるものであり、該混合燃料は燃料タンク７に貯留されている。前記混合燃料は、燃料タンク７から分離器８に供給され、分離器８で添加される水と混合される。
【００２４】
ここで、前記混合燃料を形成しているアルコールは水と相溶性があり、液体炭化水素は水に不溶である。従って、前記のように前記混合燃料に水を混合すると、アルコールと水との混合液が形成される一方、液体炭化水素が分離される。分離された前記水−アルコール混合液と前記液体炭化水素とでは、水を含む水−アルコール混合液の方が比重が大であるので、重力により上下２層に分離して、上層に前記液体炭化水素層、下層に水−アルコール混合液層が形成される。
【００２５】
そこで、分離器８の液体炭化水素層が形成される部分に導管９ａを接続し、水−アルコール混合液層が形成される部分に導管９ｂを接続することにより、前記液体炭化水素と前記水−アルコール混合液とを、容易に、それぞれを独立に取り出すことができる。分離器８で分離された前記液体炭化水素は前記炭化水素燃料として導管９ａを介してインジェクター５ａに供給され、水−アルコール混合液は前記アルコール系燃料として導管９ｂを介してインジェクター５ｂに供給される。
【００２６】
本実施形態の内燃機関では、運転状態量センサ１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎは、機関の温度、圧力、トルク、回転数等の運転状態量を検知し、その検知信号を制御装置１０に出力する。制御装置１０は、運転状態量センサ１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの検知信号により機関の運転状態を把握し、最適な燃焼法を設定する。そして、設定した燃焼法に応じてインジェクター５ａから噴射される前記炭化水素燃料と、インジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料との噴射量、噴射比率を設定する。前記各燃料の噴射比率は、一般的に、低負荷時にはインジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料よりもインジェクター５ａから噴射される前記炭化水素燃料の比率を高くし、高負荷時にはインジェクター５ａから噴射される該炭化水素燃料よりもインジェクター５ｂから噴射される該アルコール系燃料の比率を高くするように調整される。しかし、圧縮着火の場合には、最適な着火時期となるように前記アルコール系燃料の比率が調整される。また、前記点火プラグによる強制点火の場合には、点火タイミングを最適とした場合でもノッキングが発生しないように前記アルコール系燃料の比率が調整される。
【００２７】
次に、制御装置１０はノッキングの検出を行い、ノッキングが検出されない場合は、前記噴射量、噴射比率の設定と、点火方法の設定とを維持する。一方、ノッキングが検出された場合は、インジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料の比率がさらに高くなるように、前記各燃料の噴射量、噴射比率を調整する。また、制御装置１０は、インジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料の比率をそれ以上高くできない場合には、点火プラグの点火時期を遅角化する。
【００２８】
本実施形態の内燃機関では、インジェクター５ａから噴射される前記炭化水素燃料と、インジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料との噴射量、噴射比率が、それぞれ独立に設定される。そして、インジェクター５ａから噴射される前記炭化水素燃料と、インジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料とは、それぞれストレートタイプの吸気ポート４ａ，４ｂから直線的にシリンダー内に供給され、該シリンダー内で混合される。この結果、本実施形態の内燃機関によれば、シリンダー内に噴射された燃料の平均オクタン価、平均空燃比を連続的に調整することができ、高負荷時におけるノッキングの発生を抑制することができる。
【００２９】
また、図１に示す内燃機関では、吸気ポート４ａ，４ｂはいずれもストレートタイプとしているが、図２に示すように、ストレートタイプの吸気ポート４ｂに代えて、スワールタイプの吸気ポート４ｃを用いてもよい。図２に示す構成によれば、インジェクター５ａから噴射される前記炭化水素燃料は、ストレートタイプの吸気ポート４ａにより直線的に、シリンダーの内周部に供給されるが、インジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料は、スワールタイプの吸気ポート４ｃにより曲線的に旋回しながら、シリンダーに導入され、その遠心力によりシリンダー外周部に重点的に供給される。
【００３０】
この結果、図３に示すように、シリンダー１２内の中心に設けられた点火プラグ１３の周囲、シリンダー１２の内周部にはアルコール濃度の低い低濃度領域１４が形成され、シリンダー１２の内壁に沿った外周部にはアルコール濃度の高い高濃度領域１５が形成される。従って、シリンダー１２内に噴射された燃料に、シリンダー１２の内周部ほどオクタン価が低く、外周部ほどオクタン価が高い、オクタン価分布を形成することができ、高負荷時におけるノッキングの発生を効果的に抑制することができる。前記オクタン価の分布は、インジェクター５ａから噴射される前記炭化水素燃料と、インジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料との噴射比率を変えることにより連続的に調整することができる。
【００３１】
また、図２に示す構成では、インジェクター５ａから噴射される前記炭化水素燃料と、インジェクター５ｂから噴射される前記アルコール系燃料との噴射量を変えることにより、空燃比分布を調整することもできる。
【００３２】
また、図２に示す構成では、図１に示す構成と同様にして平均オクタン価、平均空燃比を調整するようにしてもよい。オクタン価分布、空燃比分布の調整を、平均オクタン価、平均空燃比の調整と併用することにより、高負荷時におけるノッキングの発生をさらに効果的に抑制することができる。
【００３３】
尚、本実施形態の内燃機関では、液体炭化水素とアルコールとの混合燃料を分離器８で分離して、前記炭化水素燃料と前記アルコール系燃料とを得るようにしているが、該炭化水素燃料と該アルコール系燃料とは、予め別々のタンクに収容しておくようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の内燃機関の構成例を示すシステム構成図。
【図２】図１に示す吸気ポートの変形例を示す図。
【図３】図２に示す吸気ポートを備えるシリンダの説明的断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１ａ，１ｂ…吸気バルブ、  ４ａ…第１の吸気ポート、  ４ｃ…第２の吸気ポート、  ５ａ…第１のインジェクター、５ｂ…第２のインジェクター、  ８…分離手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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