(57)【要約】【課題】  複数の燃料を同時に使用可能な内燃機関において、従来よりも広い運転領域おいて効率的な運転を可能にすること。【解決手段】  本内燃機関１００は、燃焼室１２内または燃焼室１２に連通する吸気通路４０に設けられ、第１燃料を供給する第１燃料供給手段２８と、燃焼室１２内に設けられ、圧縮着火可能な第２燃料を供給する第２燃料供給手段２４と、吸気通路４０に設けられ、第２燃料を供給する第３燃料供給手段２６と、を備える。運転条件に応じて第１燃料供給手段２８、第２燃料供給手段２４、及び第３燃料供給手段２６からの燃料供給を制御することにより、従来よりも広い運転領域おいて効率的な運転を行うことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内または前記燃焼室に連通する吸気通路に設けられ、第１燃料を供給する第１燃料供給手段と、
前記燃焼室内に設けられ、圧縮着火可能な第２燃料を供給する第２燃料供給手段と、
前記吸気通路に設けられ、前記第２燃料を供給する第３燃料供給手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第１燃料供給手段、前記第２燃料供給手段、及び前記第３燃料供給手段を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、
前記第１燃料供給手段と、前記第２燃料供給手段及び前記第３燃料供給手段のいずれか一方とを用いて、前記燃焼室に前記第１燃料及び前記第２燃料を供給する運転モードと、
前記第２燃料供給手段を用いて、前記燃焼室に前記第２燃料を供給する運転モードとを切り替え可能であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記制御手段は、アイドル運転時においては、前記第２燃料供給手段を用いて、前記燃焼室に前記第２燃料を供給することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記制御手段は、運転時の負荷が、運転条件に基づいて定められた閾値より小さく、かつアイドル運転時でない場合に、前記第１燃料供給手段及び前記第３燃料供給手段を用いて、前記燃焼室に前記第１燃料及び前記第２燃料を供給することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記制御手段は、運転時の負荷が、運転条件に基づいて定められた閾値より大きい場合に、前記第１燃料供給手段及び前記第２燃料供給手段を用いて、前記燃焼室に前記第１燃料及び前記第２燃料を供給することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記第１燃料供給手段は、前記吸気通路に設けられ、
前記第１燃料供給手段の供給口及び前記第３燃料供給手段の供給口は、前記第１燃料供給手段から供給される前記第１燃料と前記第３燃料供給手段から供給される前記第２燃料とが互いに交差して衝突するように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項７】
前記第１燃料は天然ガスを含み、前記第２燃料は軽油を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料を同時に使用可能な内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複数の燃料を使用可能な内燃機関において、複数の燃料を混合して燃焼（混焼）させることで、熱効率等の向上を図った内燃機関が知られている。例えば、ポートに設けられた噴射弁（インジェクタ）から天然ガスを噴射し、筒内（燃焼室内）に設けられたインジェクタからディーゼル燃料を噴射し、予混合圧縮着火を行う内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−５３２８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の内燃機関では、天然ガス及びディーゼル燃料を噴射するためのインジェクタがそれぞれ１つずつしか設けられていないため、運転領域によっては効率的な運転が行えない場合があった。その結果、燃費の悪化やエミッションの増加が生じてしまう場合があった。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、従来よりも広い運転領域おいて効率的な運転を行うことの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】
【０００６】
本内燃機関は、燃焼室内または前記燃焼室に連通する吸気通路に設けられ、第１燃料を供給する第１燃料供給手段と、前記燃焼室内に設けられ、圧縮着火可能な第２燃料を供給する第２燃料供給手段と、前記吸気通路に設けられ、前記第２燃料を供給する第３燃料供給手段と、を備える。
【０００７】
上記構成において、前記第１燃料供給手段、前記第２燃料供給手段、及び前記第３燃料供給手段を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第１燃料供給手段と、前記第２燃料供給手段及び前記第３燃料供給手段のいずれか一方とを用いて、前記燃焼室に前記第１燃料及び前記第２燃料を供給する運転モードと、前記第２燃料供給手段を用いて、前記燃焼室に前記第２燃料を供給する運転モードとを切り替え可能である構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記制御手段は、アイドル運転時においては、前記第２燃料供給手段を用いて、前記燃焼室に前記第２燃料を供給する構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記制御手段は、運転時の負荷が、運転条件に基づいて定められた閾値より小さく、かつアイドル運転時でない場合に、前記第１燃料供給手段及び前記第３燃料供給手段を用いて、前記燃焼室に前記第１燃料及び前記第２燃料を供給する構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記制御手段は、運転時の負荷が、運転条件に基づいて定められた閾値より大きい場合に、前記第１燃料供給手段及び前記第２燃料供給手段を用いて、前記燃焼室に前記第１燃料及び前記第２燃料を供給する構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記第１燃料供給手段は、前記吸気通路に設けられ、
前記第１燃料供給手段の供給口及び前記第３燃料供給手段の供給口は、前記第１燃料供給手段から供給される前記第１燃料と前記第３燃料供給手段から供給される前記第２燃料とが互いに交差して衝突するように配置されている構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記第１燃料は天然ガスを含み、前記第２燃料は軽油を含む構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本内燃機関によれば、従来よりも広い運転領域おいて効率的な運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施例１に係る内燃機関の全体構成を示す図である。
【図２】図２は、実施例１に係る内燃機関の詳細な構成を示す図である。
【図３】図３は、運転条件と噴射切り替え制御との関係を示すマップである。
【図４】図４は、実施例１の変形例を示す図（その１）である。
【図５】図５は、実施例１の変形例を示す図（その２）である。
【図６】図６は、実施例２に係る内燃機関の全体構成を示す図である。
【図７】図７は、実施例２に係る内燃機関の詳細な構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】
図１は、実施例１に係る内燃機関の全体構成を示す図である。内燃機関１００は、主燃料としてのＣＮＧ（Compressed Natural Gas）及び副燃料としての軽油を混合して燃焼可能なデュアルフューエルの内燃機関であり、例えば直列４気筒のエンジンブロック１０を備える。エンジンブロック１０における燃焼室１２内には、軽油筒内インジェクタ２４が設けられている。軽油筒内インジェクタ２４には、軽油燃料タンク３２から高圧ポンプ３３及びコモンレール３４を介して軽油燃料が供給されている。
【００１６】
燃焼室１２に連通する吸気ポート４２には、軽油ポートインジェクタ２６及びＣＮＧポートインジェクタ２８が設けられている。軽油ポートインジェクタ２６には、軽油燃料タンク３２から軽油デリバリ３５を介して軽油燃料が供給されている。ＣＮＧポートインジェクタ２８には、ＣＮＧ燃料タンク３７からレギュレータ３８及びＣＮＧデリバリ３９を介してＣＮＧ燃料が供給されている。
【００１７】
エンジンブロック１０の吸気通路４０には、下流側から順に、吸気ポート４２、流量調節用のスロットルバルブ４４、インタークーラー４６、ターボチャージャー４８、及びエアクリーナ４９が設けられている。エンジンブロック１０の排気通路５０には、上流側から順に、排気ポート５２、ターボチャージャー４８、及び排気浄化用の触媒が内蔵されたスタートコンバーター５４が設けられている。
【００１８】
また、内燃機関１００は、制御手段としてのＥＣＵ６０（Engine Control Unit）を備える。ＥＣＵ６０は、スロットルバルブ４４の開度及びエンジン回転数を示すセンサ等（図示せず）の出力に基づき、内燃機関１００の運転条件（運転負荷及びエンジン回転数）を取得する。また、取得された運転条件に基づいて、軽油筒内インジェクタ２４、軽油ポートインジェクタ２６、及びＣＮＧポートインジェクタ２８の燃料噴射制御を行う。
【００１９】
図２は、燃焼室１２付近の詳細な構成を示す図である。シリンダ１４、ピストン１５及びシリンダヘッド１６により、燃焼室１２が区画されている。燃焼室１２の上部には、軽油筒内インジェクタ２４が設けられている。燃焼室１２の吸気側は、吸気バルブ１７を介して吸気ポート４２に連通している。吸気ポートの上流部４２ａは、全ての燃焼室１２に共有される空間となっており、吸気ポートの下流部４２ｂは、エンジンブロック１０内のそれぞれの燃焼室１２に対して個別に形成された通路となっている。燃焼室１２の排気側は、排気バルブ１８を介して排気ポート５２に連通している。
【００２０】
軽油ポートインジェクタ２６及びＣＮＧポートインジェクタ２８は、吸気ポートの上流部４２ａに設けられている。軽油ポートインジェクタ２６からの軽油燃料は、吸気ポートの上流部４２ａに噴射され、ＣＮＧポートインジェクタ２８からのＣＮＧ燃料は、金属パイプ２７を介して吸気ポートの下流部４２ｂに噴射される。
【００２１】
圧縮着火性を有する軽油は、燃焼室１２内で圧縮されることにより燃焼する。ＣＮＧは圧縮着火性を有さないため、予めＣＮＧ燃料と軽油燃料とを混合した混合気を形成し、軽油燃料を火種として燃焼させる（混焼）。２種類の燃料のうちいずれの燃料を用いるかは、内燃機関１００の運転条件に合わせて変更する。以下、この点について詳細に説明する。
【００２２】
図３は、運転条件と噴射切り替え制御との関係を示すマップである。横軸はエンジン回転数を、縦軸は運転時の負荷をそれぞれ示す。マップの左下に示すアイドル運転時においては、燃焼させる燃料の量が少ないため、ＣＮＧと軽油の混焼を行うと軽油の絶対量が不足し、燃焼（着火）が不安定となってしまう。従って、アイドル運転時においては軽油のみで運転を行うことが好ましい。このとき、ＥＣＵ６０は、軽油筒内インジェクタ２４を用いて燃焼室１２に軽油を供給し、軽油ポートインジェクタ２６及びＣＮＧポートインジェクタ２８からの燃料供給は行わない。
【００２３】
運転時の負荷が軽負荷〜中負荷の場合、ＥＣＵ６０は、ＣＮＧポートインジェクタ２８及び軽油ポートインジェクタ２６を用いて、燃焼室１２にＣＮＧ及び軽油を供給する。このとき、軽油筒内インジェクタ２４からの燃料供給は行わない。軽油を吸気ポート４２から供給することで、ＣＮＧ、軽油、及び空気を含む均質予混合気が均質に形成され、着火源となる軽油が燃焼室１２内に均質に分散する。これにより、圧縮時における多点着火が生じやすくなるため燃焼効率が向上する。また、高負荷運転時においては困難なＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression. Ignition）燃焼を行うことができる。
【００２４】
図２に示すように、本実施例では、吸気ポートの上流部４２ａから供給された軽油に、吸気ポートの下流部４２ｂにおいてＣＮＧ燃料を衝突させるように噴射している。これにより、ガス燃料であるＣＮＧの気流によって、液体燃料である軽油の微粒化が促進され、予混合気の均質性が向上するため、燃焼効率をさらに向上させることができる。
【００２５】
運転時の負荷が中負荷〜高負荷の場合、ＥＣＵ６０は、ＣＮＧポートインジェクタ２８及び軽油筒内インジェクタ２４を用いて、燃焼室１２にＣＮＧ及び軽油を供給する。このとき、軽油ポートインジェクタ２６からの燃料供給は行わない。軽油を燃焼室１２内に直接供給することで、燃焼室１２内において予混合気の成層化（特定領域への集中）が行われる。これにより、着火時期をＴＤＣ（Top Dead Center）付近に制御し、軽負荷〜中負荷時に比べ着火時期を遅角させることで、燃焼効率を向上させることができる。
【００２６】
燃料としてＣＮＧと軽油の両方を使用する場合において、軽油ポートインジェクタ２６を使用する運転モードと、軽油筒内インジェクタ２４を使用する運転モードとの切り替えは、上述のようにエンジン負荷に基づいて行うことができる。エンジン負荷が所定の閾値より小さい（軽負荷〜中負荷）場合は前者が、エンジン負荷が所定値より大きい（中負荷〜高負荷）場合は後者が選択される。上記の閾値は、運転条件に応じて適宜設定することが可能である（例えば、図３のようにマップを用いて規定することができる）。
【００２７】
なお、混焼に必要なＣＮＧが不足している場合（燃料切れの場合）、ＥＣＵ６０は、アイドル運転時と同様に、軽油筒内インジェクタ２４を用いて軽油のみによる運転を行う。
【００２８】
以上のように、実施例１に係る内燃機関１００によれば、制御手段としてのＥＣＵ６０が、軽油筒内インジェクタ２４、軽油ポートインジェクタ２６、及びＣＮＧポートインジェクタ２８における燃料噴射の切り替え制御（運転モードの切り替え）を運転条件に応じて行うことで、従来よりも広い運転領域おいて効率的な運転を行うことができる。
【００２９】
実施例１では、軽油ポートインジェクタ２６及びＣＮＧポートインジェクタ２８を吸気ポートの上流部４２ａに設ける構成としたが、これらのインジェクタは内燃機関１００における吸気系の任意の場所に設けることができる。
【００３０】
図４（ａ）〜（ｃ）は、インジェクタの設置場所を変更した変形例を示す図である。図中のインジェクタ２２は、軽油ポートインジェクタ２６またはＣＮＧポートインジェクタ２８を示すものとする。図４（ａ）では、インジェクタ２２はスロットルバルブ４４の下流に設けられている。図４（ｂ）では、インジェクタ２２はスロットルバルブ４４の上流に設けられている。図４（ｃ）では、インジェクタ２２はターボチャージャー４８のコンプレッサの前段に設けられている。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）の順に、インジェクタ２２の設置場所が上流側に移動している。
【００３１】
インジェクタ２２の設置場所が上流側に移動するに従い、空気と燃料との混合が促進され、予混合気がより均質になるため、燃焼効率が向上する。一方、燃料噴射時期や燃料噴射量を変更した場合に、変更に対する応答性は低下する。内燃機関１００の吸気系におけるインジェクタ２２の設置場所は、上記のバランスを考慮して適宜定めることが好ましい。
【００３２】
図５は、インジェクタの設置場所を変更した変形例を示す図（その２）である。軽油ポートインジェクタ２６及びＣＮＧポートインジェクタ２８は、共に吸気ポートの上流部４２ａに設けられているが、実施例１と異なりＣＮＧポートインジェクタ２８に金属パイプ２７が接続されていない。また、軽油ポートインジェクタ２６から噴射される軽油燃料に対し、ＣＮＧポートインジェクタ２８から噴射されるＣＮＧ燃料が交差して衝突するように、それぞれのインジェクタの噴射口が位置決めされている。本構成によれば、ガス燃料であるＣＮＧを液体燃料である軽油に衝突させることで軽油の微粒化を促進し、予混合気の均質性を高めることで燃焼効率を向上させることができる。
【実施例２】
【００３３】
実施例２は、ＣＮＧ供給用のインジェクタを燃焼室内に設けた例である。
【００３４】
図６は、実施例２に係る内燃機関の全体構成を示す図である。燃焼室１２には、軽油筒内インジェクタ２４及びＣＮＧ筒内インジェクタ２９が設けられている。ＣＮＧ筒内インジェクタ２９には、ＣＮＧ燃料タンク３７からＣＮＧレギュレータ３８を介してＣＮＧ燃料が供給されている。その他の構成は実施例１（図１）と同様であり、詳細な説明を省略する。
【００３５】
図７は、実施例２に係る内燃機関の詳細な構成を示す図である。燃焼室１２の上部に、軽油筒内インジェクタ２４及びＣＮＧ筒内インジェクタ２９が設けられている。２つのインジェクタの噴射口は隣接しており、燃焼室１２の天井からピストン１５に設けられたキャビティ１９に向かってＣＮＧ及び軽油が噴射される構成となっている。吸気ポート４２には、ＣＮＧインジェクタは設けられていない。その他の構成は実施例１（図２）と同じであり、詳細な説明を省略する。
【００３６】
実施例２においても、実施例１と同様に、ＥＣＵ６０が運転条件に応じて燃料噴射の切り替え制御を行う。すなわち、アイドル運転時及びＣＮＧ燃料不足時においては軽油筒内インジェクタ２４により軽油のみを供給し、軽負荷〜中負荷時においては軽油ポートインジェクタ２６及びＣＮＧ筒内インジェクタ２９により軽油及びＣＮＧを供給し、中負荷〜高負荷時においては軽油筒内インジェクタ２４及びＣＮＧ筒内インジェクタ２９により軽油及びＣＮＧを供給する。これにより、従来よりも広い運転領域おいて効率的な運転を行うことができる。
【００３７】
実施例１〜２では、第１燃料としてＣＮＧを用い、第２燃料として軽油を用いたが、上記以外の燃料を用いてもよい。第１燃料は、主燃料として用いられる燃料である。第２燃料は、第１燃料を燃焼させるための火種となる燃料であり、圧縮着火が可能な燃料である。第２燃料は、第１燃料よりも圧縮着火性（セタン価）の高い燃料であることが好ましい。
【００３８】
実施例１では、第１燃料としてのＣＮＧを供給する第１燃料供給手段としてＣＮＧポートインジェクタ２８を用い、実施例２ではＣＮＧ筒内インジェクタ２９を用いた。また、実施例１〜２では、第２燃料としての軽油を供給する第２燃料供給手段及び第３燃料供給手段として、それぞれ軽油筒内インジェクタ２４及び軽油ポートインジェクタ２６を用いた。第１燃料供給手段は、燃焼室１２または燃焼室１２に連通する吸気通路４０のいずれかに設けられていればよい。また、第２燃料供給手段は燃焼室１２に設けられ、第３燃料供給手段は吸気通路に設けられていればよい。
【００３９】
実施例１のように、第１燃料供給手段を吸気通路４０に設けた場合、第１燃料、第２燃料、及び空気の混合を促進し、均質な混合気形成を行うことが容易となる。また、図２及び図５で示したように、第２燃料に対し第１燃料を衝突させ、第２燃料の微粒化を促進させることができる。その結果、燃焼を促進すると共に、ＨＣ、ＣＯ等の有害物質の発生を低減することができる。一方、実施例２のように、第１燃料供給手段を燃焼室１２に設けた場合、燃焼室１２内に第１燃料を分散させずに成層化することが容易となる。その結果、ボア側において消炎する第１燃料を低減し、未燃のＨＣ等を低減することができる。第１燃料供給手段を燃焼室１２及び吸気通路４０のいずれに設けるかは、それぞれの利点を考慮して適宜定めることが好ましい。
【００４０】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０    エンジンブロック
１２    燃焼室
２４    軽油筒内インジェクタ
２６    軽油ポートインジェクタ
２８    ＣＮＧポートインジェクタ
２９    ＣＮＧ筒内インジェクタ
４０    吸気通路
５０    排気通路
６０    ＥＣＵ
【図１】
2012057470.tif 000003
【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】
2012057470.tif 000008
【図７】
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