(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアと該アンモニアの燃焼を促進させるための助燃燃料とを燃料として使用する内燃機関の制御を行う装置であって、
内燃機関においては、アンモニア及び助燃燃料を吸気管内に噴射し、点火栓の火花放電によりシリンダ内のアンモニア及び助燃燃料と空気との混合気に点火することでシリンダ内の混合気を火炎伝播燃焼させ、
内燃機関の運転条件の変化に応じてアンモニアと助燃燃料との使用配分を変化させる燃料配分制御手段を備え、
燃料配分制御手段は、燃焼変動が許容限界レベル以下に抑えられるように、内燃機関の回転数の減少に対してアンモニアの使用割合を増大させて助燃燃料の使用割合を減少させ、内燃機関の負荷の増大に対してアンモニアの使用割合を増大させて助燃燃料の使用割合を減少させる、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
助燃燃料は、水素、炭化水素系燃料、及びアルコール系燃料のいずれか１つ以上を含む、内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、アンモニアと該アンモニアの燃焼を促進させるための助燃燃料とを燃料として使用する内燃機関の制御を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油系燃料以外の燃料としてアンモニア（ＮＨ3）を使用する内燃機関が提案されており、その関連技術が下記特許文献１及び非特許文献１に開示されている。アンモニアを内燃機関の燃料として使用することで二酸化炭素（ＣＯ2）の排出量削減を図ることが可能となるが、アンモニアはガソリン等の石油系燃料と比較して燃焼速度が遅く燃えにくい性質を有する。特許文献１では、燃焼後の排気ガスの熱を利用してアンモニアを分解して水素ガス（Ｈ2）を生成し、この水素ガスを副燃焼室内に導入して初期燃焼を行わせることで、燃焼室内のアンモニアの燃焼を促進させている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３３２１５２号公報
【非特許文献１】Shawn M. Grannell他,"THE OPERATING FEATURES OF A STOICHIOMETRIC,AMMONIA AND GASOLINE DUAL FUELED SPARK IGNITION ENGINE",IMECE2006-13048,2006 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition,2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関において、燃焼変動を抑えた安定な運転を行うためには、ピストンが上死点付近にある間に燃焼を完結させるのに十分な燃焼速度で燃料を燃焼させる必要がある。ただし、燃料の燃焼速度は、燃料の種類のみならず内燃機関の運転条件によっても影響を受ける。アンモニアと助燃燃料とを燃料として使用する内燃機関において、その運転条件が変化して燃料の燃焼速度が低下すると、燃焼速度の遅いアンモニアの使用割合が過剰となり、燃焼変動が増大して内燃機関の安定な運転が困難となる。一方、内燃機関の運転条件が変化して燃料の燃焼速度が増大すると、燃焼速度の遅いアンモニアの使用割合が不足し、アンモニアの利用効率が制約されたり、ノッキングが生じて安定な運転が困難となる虞がある。特許文献１では、アンモニアと水素との使用配分が示されておらず、内燃機関の運転条件によっては、安定した燃焼を行うことが困難となる虞がある。
【０００５】
本発明は、アンモニアの使用割合を増やしつつ、内燃機関の燃焼変動を抑えた安定な運転を実現することができる内燃機関の制御装置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】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、アンモニアと該アンモニアの燃焼を促進させるための助燃燃料とを燃料として使用する内燃機関の制御を行う装置であって、内燃機関においては、アンモニア及び助燃燃料を吸気管内に噴射し、点火栓の火花放電によりシリンダ内のアンモニア及び助燃燃料と空気との混合気に点火することでシリンダ内の混合気を火炎伝播燃焼させ、内燃機関の運転条件の変化に応じてアンモニアと助燃燃料との使用配分を変化させる燃料配分制御手段を備えることを要旨とする。ここでの内燃機関の運転条件としては、内燃機関の回転数や負荷を挙げることができ、燃料配分制御手段は、燃焼変動が許容限界レベル以下に抑えられるように、内燃機関の回転数の減少に対してアンモニアの使用割合を増大させて助燃燃料の使用割合を減少させ、内燃機関の負荷の増大に対してアンモニアの使用割合を増大させて助燃燃料の使用割合を減少させる。
【０００９】
本発明の一態様では、助燃燃料は、水素、炭化水素系燃料、及びアルコール系燃料のいずれか１つ以上を含むことが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、内燃機関の運転条件の変化に応じてアンモニアと助燃燃料との使用配分を変化させることで、アンモニアの使用割合を増やしつつ、内燃機関の燃焼変動を抑えた安定な運転を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る制御装置の概略構成を制御対象である内燃機関１０とともに示す図である。内燃機関１０は、アンモニア（第１の燃料）とこのアンモニアの燃焼を促進させるための助燃燃料（第２の燃料）とを燃料として使用するものである。図１は、助燃燃料としてガソリン（炭化水素系燃料）を使用する例を示している。
【００１３】
アンモニアタンク１２内にはアンモニア（ＮＨ3）が貯溜されており、ガソリンタンク１４内にはガソリンが貯溜されている。アンモニアタンク１２内に貯溜されたアンモニアは、ポンプによりアンモニアインジェクタ２２に供給され、ガソリンタンク１４内に貯溜されたガソリンは、ポンプによりガソリンインジェクタ２４に供給される。吸気管２０内に臨むアンモニアインジェクタ２２は、アンモニアタンク１２から供給されたアンモニアを吸気管２０内に噴射し、吸気管２０内に臨むガソリンインジェクタ２４は、ガソリンタンク１４から供給されたガソリンを吸気管２０内に噴射する。アンモニアインジェクタ２２及びガソリンインジェクタ２４からそれぞれ噴射されたアンモニア及びガソリンは、吸気行程にて空気とともにシリンダ１１内に導入される。内燃機関１０は、燃料（アンモニア及びガソリン）と空気との混合気をシリンダ１１内で燃焼させることで動力を発生する。燃焼後の排出ガスは、排気行程にてシリンダ１１内から排気管２１内へ排出され、排気浄化装置として設けられた排気触媒３０で浄化される。燃焼後の排出ガスには窒素酸化物（ＮＯｘ）や未燃アンモニア等が含まれており、窒素酸化物や未燃アンモニア等が排気触媒３０で浄化される。
【００１４】
図１は、アンモニア及び助燃燃料（ガソリン）を吸気管２０内に噴射する例を示しているが、アンモニアインジェクタ２２をシリンダ１１内に臨ませてアンモニアをシリンダ１１内に直接噴射することもできるし、ガソリンインジェクタ２４をシリンダ１１内に臨ませてガソリンをシリンダ１１内に直接噴射することもできる。また、点火栓の火花放電によりシリンダ１１内の混合気に点火することでシリンダ１１内の混合気を火炎伝播燃焼させることもできるし、シリンダ１１内の燃料（アンモニア及び助燃燃料）を圧縮自着火により燃焼させることもできる。
【００１５】
電子制御装置（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵを中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭと、一時的にデータを記憶するＲＡＭと、入出力ポートと、を備える。この電子制御装置４０には、図示しない各センサにより検出された内燃機関１０の回転数を示す信号、及びスロットル開度を示す信号等が入力ポートを介して入力されている。一方、電子制御装置４０からは、アンモニアインジェクタ２２の駆動制御を行うためのアンモニア噴射制御信号、及びガソリンインジェクタ２４の駆動制御を行うためのガソリン噴射制御信号等が出力ポートを介して出力されている。電子制御装置４０は、内燃機関１０の回転数及びスロットル開度に基づいて燃料の目標総噴射量及び目標噴射配分を演算し、燃料の総噴射量及び噴射配分が目標総噴射量及び目標噴射配分にそれぞれ一致するようにアンモニアインジェクタ２２及びガソリンインジェクタ２４の駆動制御をそれぞれ行うことで、アンモニアの噴射量（使用量）及びガソリンの噴射量（使用量）をそれぞれ制御する。これによって、アンモニアとガソリン（助燃燃料）との噴射配分（使用配分）を制御することができる。
【００１６】
アンモニアは、ガソリン等の炭化水素系燃料と比較して燃焼速度が遅く燃えにくい物質であるが、アンモニアだけでなく助燃燃料（図１に示す例ではガソリン）もシリンダ１１内にて燃焼させることで、アンモニアの燃焼を促進させることができる。アンモニアに対して助燃燃料の使用割合を変化させた場合の燃焼速度の変化を計算により調べた結果を図２に示す。図２は、助燃燃料としてガソリンを用いたときの燃焼速度の計算結果と、助燃燃料として水素を用いたときの燃焼速度の計算結果とを示す。図２に示すように、助燃燃料の使用割合を増加させる（アンモニアの使用割合を減少させる）ことで、燃焼速度を増大できることがわかる。
【００１７】
内燃機関において、燃焼変動を抑えた安定な運転を行うためには、ピストンが上死点付近にある間に燃焼を完結させるのに十分な火炎伝播速度で燃料を燃焼させる必要がある。ただし、火炎伝播速度は、燃料の種類のみならず内燃機関の運転条件によっても影響を受ける。内燃機関の運転条件が変化した結果、必要な火炎伝播速度が得られる使用割合と比べてアンモニアの使用割合が多すぎるときは、燃焼速度が遅くなって燃焼変動が増大し、内燃機関の安定な運転が困難となる。一方、必要な火炎伝播速度が得られる使用割合と比べてアンモニアの使用割合が少なすぎるときは、アンモニアの利用効率が制約されたり、ノッキングが生じて安定な運転が困難となる虞がある。
【００１８】
そこで、本実施形態では、電子制御装置４０は、内燃機関１０の運転条件の変化に応じてアンモニアと助燃燃料との噴射配分（使用配分）を変化させるように、アンモニアインジェクタ２２及びガソリンインジェクタ２４の駆動制御をそれぞれ行う。ここでの内燃機関１０の運転条件としては、内燃機関１０の回転数や負荷を挙げることができ、電子制御装置４０は、内燃機関１０の回転数及び負荷のいずれか１つ以上の変化に応じてアンモニアと助燃燃料との使用配分を変化させる。これによって、アンモニアの利用効率を向上させつつ、内燃機関１０の燃焼変動を抑えた安定な運転を実現する。内燃機関１０の回転数については、例えば図示しない回転数センサにより検出することができ、内燃機関１０の負荷については、例えばスロットル開度や燃料の目標総噴射量から取得することができる。以下、アンモニアと助燃燃料との噴射配分制御の詳細について説明する。
【００１９】
アンモニアの噴射割合を変化させた場合の燃焼変動の変化を実験により調べた結果を図３，４に示す。図３は、内燃機関の回転数を変化させながらアンモニア噴射割合に対する燃焼変動（トルク変動）の特性を調べた実験結果であり、図４は、内燃機関の負荷（トルク）を変化させながらアンモニア噴射割合に対する燃焼変動（トルク変動）の特性を調べた実験結果である。図３，４に示す実験結果においては、燃焼変動が許容限界レベルを超えると内燃機関の安定な運転が困難となる。
【００２０】
図３に示すように、いずれの回転数においても、アンモニアの噴射割合がある程度以上になると、燃焼変動が許容限界レベルを超えて内燃機関の安定な運転が困難になることがわかる。そして、内燃機関の回転数が高くなるほど燃焼変動が許容限界レベルに達するときのアンモニア噴射割合が低くなる（内燃機関の回転数が低くなるほど燃焼変動が許容限界レベルに達するときのアンモニア噴射割合が高くなる）ことがわかる。内燃機関の回転数が低い運転条件では、内燃機関の回転数が高い運転条件と比較して、ピストンの移動速度が低く、燃焼のための時間を比較的長く取ることができる。そのため、内燃機関の回転数が低い運転条件では、内燃機関の回転数が高い運転条件よりアンモニア噴射割合を高くして燃料の燃焼速度が低くなっても、燃焼変動を許容限界レベル以下に抑えられることが、図３に示す実験結果からわかる。一方、内燃機関の回転数が高い運転条件では、内燃機関の回転数が低い運転条件よりアンモニア噴射割合を低くして燃料の燃焼速度を高くしないと、燃焼変動を許容限界レベル以下に抑えられないことが、図３に示す実験結果からわかる。そこで、本実施形態では、電子制御装置４０は、内燃機関１０の回転数の減少に対してアンモニアの噴射割合を増大させて助燃燃料の噴射割合を減少させるように、アンモニアインジェクタ２２及びガソリンインジェクタ２４の駆動制御をそれぞれ行う。これによって、内燃機関１０の回転数が変化しても、アンモニアの利用効率を向上させつつ、燃焼変動（トルク変動）が許容限界レベル以下に抑えられるように、アンモニアと助燃燃料との噴射配分を制御することができる。
【００２１】
図４に示すように、いずれの負荷（トルク）においても、アンモニアの噴射割合がある程度以上になると、燃焼変動が許容限界レベルを超えて内燃機関の安定な運転が困難になることがわかる。そして、内燃機関の負荷が高くなるほど燃焼変動が許容限界レベルに達するときのアンモニア噴射割合が高くなる（内燃機関の負荷が低くなるほど燃焼変動が許容限界レベルに達するときのアンモニア噴射割合が低くなる）ことがわかる。内燃機関の負荷が高い運転条件では、内燃機関の負荷が低い運転条件と比較して、シリンダ内圧力が増加するため、燃焼が促進されて火炎伝播速度が高くなる。そのため、内燃機関の負荷が高い運転条件では、内燃機関の負荷が低い運転条件よりアンモニア噴射割合を高くして燃料の燃焼速度が低くなっても、燃焼変動を許容限界レベル以下に抑えられることが、図４に示す実験結果からわかる。一方、内燃機関の負荷が低い運転条件では、内燃機関の負荷が高い運転条件よりアンモニア噴射割合を低くして燃料の燃焼速度を高くしないと、燃焼変動を許容限界レベル以下に抑えられないことが、図４に示す実験結果からわかる。そこで、本実施形態では、電子制御装置４０は、内燃機関１０の負荷（トルク）の増大に対してアンモニアの噴射割合を増大させて助燃燃料の噴射割合を減少させるように、アンモニアインジェクタ２２及びガソリンインジェクタ２４の駆動制御をそれぞれ行う。これによって、内燃機関１０の負荷が変化しても、アンモニアの利用効率を向上させつつ、燃焼変動（トルク変動）が許容限界レベル以下に抑えられるように、アンモニアと助燃燃料との噴射配分を制御することができる。
【００２２】
また、アンモニアは、火炎伝播速度を低下させる性質がある一方、ノッキングのような急激な燃焼を抑制する効果もある。ノッキングは特に低速高負荷の運転条件で問題となるため、こうした運転条件においてアンモニアの噴射割合を増大させることで、ノッキングの発生を抑制することができ、熱効率を向上させることができる。高負荷の運転条件においてアンモニアの噴射割合を変化させた場合の熱効率の変化を実験により調べた結果を図５に示す。図５に示すように、アンモニアの噴射割合が低い場合はノッキングにより熱効率が制約を受けるが、アンモニアの噴射割合が十分高ければノッキングを抑制することができ、熱効率を向上できることがわかる。
【００２３】
以上の実験結果を基に作成した、内燃機関１０の運転条件（回転数及びトルク）に対するアンモニア噴射割合の関係を表す特性マップの一例を図６に示す。図６に示す特性マップにおいては、燃焼変動（トルク変動）が許容限界レベル以下に抑えられる条件でアンモニア噴射割合が最も高くなるように、内燃機関１０の回転数及びトルクに対するアンモニア噴射割合が設定されている。図６に示す特性マップにおいては、内燃機関１０の回転数の増大に対してアンモニア噴射割合が減少し、内燃機関１０のトルクの低下に対してアンモニア噴射割合が減少している。この特性マップは、電子制御装置４０内の記憶装置に記憶される。電子制御装置４０は、この特性マップにおいて、与えられた内燃機関１０の回転数及びトルクに対応するアンモニアの目標噴射割合を算出し、アンモニアの噴射割合がこの目標噴射割合に一致するようにアンモニアと助燃燃料との噴射配分を制御する。これによって、内燃機関１０の回転数及びトルクが変化しても、アンモニアの利用効率を向上させつつ、燃焼変動（トルク変動）が許容限界レベル以下に抑えられるように、アンモニアと助燃燃料との噴射配分を制御することができる。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、内燃機関１０の運転状態（回転数及びトルク）の変化に応じてアンモニアと助燃燃料との噴射配分を変化させることで、アンモニアの使用割合を増やしつつ、内燃機関１０の燃焼変動を抑えた安定な運転を実現することができる。それとともに、ノッキングの発生を抑制して熱効率の向上を実現することができる。
【００２５】
次に、本実施形態の他の構成例について説明する。
【００２６】
図７は、助燃燃料として水素（Ｈ2）を使用する例を示している。図７は、過給器２８及びインタークーラ２９を有する過給エンジンの例を示しており、排気管２１における排気触媒３０の下流側にアンモニア分解器３１が設けられている。アンモニア分解器３１は、排気管２１内に排出された燃焼後の排出ガスの熱を利用して、アンモニアタンク１２から供給されたアンモニアを分解して水素を生成する。アンモニア分解器３１で生成された水素（分解ガス）は、クーラ３２で冷却されてから分解ガス噴射弁３３に供給され、分解ガス噴射弁３３から吸気管２０内に噴射される。ただし、本実施形態では、例えばプラズマを利用してアンモニアを改質することで水素を生成することもできる。電子制御装置４０は、アンモニアインジェクタ２２及び分解ガス噴射弁３３の駆動制御をそれぞれ行うことで、アンモニアの噴射量及び水素の噴射量をそれぞれ制御し、アンモニアと水素との噴射配分（使用配分）を制御する。助燃燃料として水素を使用する場合は、図２に示すように燃焼速度向上効果が大きいため、より少ない水素の添加で内燃機関１０の燃焼変動を抑えた安定な運転を実現することができ、アンモニア利用効率をさらに向上させることができる。
【００２７】
また、図８は、助燃燃料としてエタノール（アルコール系燃料）を使用する例を示している。図８に示す構成例では、エタノールタンク１５内に貯溜されたエタノールは、エタノールインジェクタ２５から吸気管２０内に噴射される。電子制御装置４０は、アンモニアインジェクタ２２及びエタノールインジェクタ２５の駆動制御をそれぞれ行うことで、アンモニアの噴射量及びエタノールの噴射量をそれぞれ制御し、アンモニアとエタノールとの噴射配分（使用配分）を制御する。エタノールはガソリンよりもオクタン価が高いため、助燃燃料としてエタノールを使用する場合は、アンモニアの利用とあわせて耐ノック性を高めることができ、より高い圧縮比とすることができる。
【００２８】
また、本実施形態では、助燃燃料として軽油（炭化水素系燃料）を使用することも可能である。さらに、助燃燃料として複数種類の燃料を使用することも可能であり、例えば、炭化水素系燃料（ガソリンや軽油等）、水素、及びアルコール系燃料（エタノール等）のうち、複数種類を組み合わせて使用することも可能である。水素、ガソリン、軽油、及びエタノールは、いずれもアンモニアよりも燃えやすい物質であり、燃焼速度も高い。そのため、アンモニアの燃焼速度を向上させるための助燃燃料として好適である。
【００２９】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る制御装置及び制御対象である内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】アンモニアに対して助燃燃料の使用割合を変化させた場合の燃焼速度の変化を計算により調べた結果を示す図である。
【図３】内燃機関の回転数を変化させながらアンモニア噴射割合に対する燃焼変動の特性を調べた実験結果を示す図である。
【図４】内燃機関の負荷を変化させながらアンモニア噴射割合に対する燃焼変動の特性を調べた実験結果を示す図である。
【図５】高負荷の運転条件においてアンモニアの噴射割合を変化させた場合の熱効率の変化を実験により調べた結果を示す図である。
【図６】内燃機関の運転条件に対するアンモニア噴射割合の関係を表す特性マップの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る制御装置及び制御対象である内燃機関の他の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る制御装置及び制御対象である内燃機関の他の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  内燃機関、１１  シリンダ、１２  アンモニアタンク、１４  ガソリンタンク、１５  エタノールタンク、２０  吸気管、２１  排気管、２２  アンモニアインジェクタ、２４  ガソリンインジェクタ、２５  エタノールインジェクタ、３０  排気触媒、３１  アンモニア分解器、３３  分解ガス噴射弁、４０  電子制御装置。
【図１】
0004919922.tif 000002
【図２】
0004919922.tif 000003
【図３】
0004919922.tif 000004
【図４】
0004919922.tif 000005
【図５】
0004919922.tif 000006
【図６】
0004919922.tif 000007
【図７】
0004919922.tif 000008
【図８】
0004919922.tif 000009