JP2007315357A - 多種燃料内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散燃焼時におけるＰＭやスモークの発生を抑制すること
【解決手段】性状の異なる少なくとも２種類の燃料Ｆ１，Ｆ２を用い、少なくとも拡散燃焼モード又は予混合火花点火燃焼モードを切り替えて運転される多種燃料内燃機関において、拡散燃焼を行う際に機関回転数が高回転であるほど又は機関負荷が高負荷であるほど前記各種燃料Ｆ１，Ｆ２の内の蒸発性の高い燃料Ｆ２の混合割合を高めるよう当該各種燃料Ｆ１，Ｆ２の燃料混合比率の調節を行う燃料混合比率制御手段（電子制御装置１）を設けること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、性状の異なる少なくとも２種類の燃料を使用して運転される多種燃料内燃機関に関する。

従来、性状の異なる複数種類の燃料を用いて運転される所謂多種燃料内燃機関が知られている。例えば、下記の特許文献１には、ガソリンや軽油、エタノールの様に多種類の燃料の中から運転者が選択したものを用いて運転可能な多種燃料内燃機関が開示されている。更に、この特許文献１には、機関負荷が所定の負荷よりも軽負荷であれば火花点火モードで運転され、高負荷であれば拡散燃焼モードで運転される多種燃料内燃機関についても記載されている。

また、多種燃料内燃機関としては、圧縮天然ガスとガソリンの内の少なくとも何れかを使用して予混合火花点火燃焼モードで運転されるものが下記の特許文献２，３等に開示されている。尚、これら特許文献２，３においては、ガソリンに替えて軽油を使用してもよいとの内容が記載されており、予混合火花点火燃焼モードに加えて拡散燃焼モードも用意された多種燃料内燃機関についても開示されているものと推定できる。

特開２００４−２４５１２６号公報 特開２００４−３５３５４２号公報 特開２００５−２０１１７８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された多種燃料内燃機関においては、燃料が択一的に選択されるので、その使用される燃料の性状如何で拡散燃焼時に粒子状物質（ＰＭ）やスモークが発生してしまう。例えば、拡散燃焼させる際には一般に軽油が使用されるが、その軽油は、蒸発性が低く、空気との混合状態が不均一になる。従って、その多種燃料内燃機関においては、不完全燃焼が引き起こされるので、ＰＭやスモークを発生させてしまう。特に、その軽油の様な蒸発性の低い燃料で拡散燃焼させる際には、機関回転数が高回転になればなるほど、また、機関負荷が高負荷になればなるほど、不完全燃焼になり易く、ＰＭやスモークの発生量を増加させてしまう。

また、上記特許文献２，３に開示された多種燃料内燃機関では、１種類の燃料で運転される場合もあれば、多種類の燃料（即ち、混合燃料）で運転される場合もある。従って、この多種燃料内燃機関においては、混合される夫々の燃料の性状やこれらの混合比率（以下、「燃料混合比率」という。）如何で蒸発性の低い混合燃料になってしまうので、上述した特許文献１の多種燃料内燃機関と同様に、拡散燃焼時にＰＭやスモークを発生させてしまう。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、拡散燃焼時におけるＰＭやスモークの発生を抑制可能な多種燃料内燃機関を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、本発明では、性状の異なる少なくとも２種類の燃料を用い、少なくとも拡散燃焼モード又は予混合火花点火燃焼モードを切り替えて運転される多種燃料内燃機関において、その各種燃料の燃料混合比率の調節を行う燃料混合比率制御手段を設ける。

例えば、請求項１記載の発明では、拡散燃焼を行う際に機関回転数が高回転であるほど各種燃料の内の蒸発性の高い燃料の混合割合を高めるよう燃料混合比率制御手段を構成する。

一般に、拡散燃焼時には、機関回転数が高回転になればなるほどＰＭやスモークが発生し易くなる。従って、この請求項１記載の多種燃料内燃機関によれば、機関回転数の高回転化につれて混合燃料の蒸発性が高まっていくので、拡散燃焼時における幅広い機関回転数でのＰＭやスモークの発生を抑制することができるようになる。

また、請求項２記載の発明では、拡散燃焼を行う際に機関負荷が高負荷であるほど各種燃料の内の蒸発性の高い燃料の混合割合を高めるよう燃料混合比率制御手段を構成する。

一般に、拡散燃焼時には、機関負荷が高負荷になればなるほどＰＭやスモークが発生し易くなる。従って、この請求項２記載の多種燃料内燃機関によれば、機関負荷が高くなるにつれて混合燃料の蒸発性が高まっていくので、拡散燃焼時における幅広い機関負荷でのＰＭやスモークの発生を抑制することができるようになる。

本発明に係る多種燃料内燃機関は、運転条件（機関回転数、機関負荷）に応じて燃料の混合割合を変えることで混合燃料の燃料特性（蒸発性）を変更することができる。ここでは、機関回転数や機関負荷が高くなるにつれて混合燃料の蒸発性を高くしている。これが為、この多種燃料内燃機関においては、その混合燃料と空気の混合状態を均一にすることができるので、その機関回転数や機関負荷が高まってもＰＭやスモークの発生を抑えることができる。

以下に、本発明に係る多種燃料内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る多種燃料内燃機関の実施例１を図１から図４に基づいて説明する。この多種燃料内燃機関とは性状の異なる少なくとも２種類の燃料を使用して運転される内燃機関であり、ここでは、全燃料に占める夫々の燃料の割合を運転条件に応じて変化させながら燃焼制御されるものについて例示する。

この多種燃料内燃機関は、図１に示す電子制御装置（ＥＣＵ）１によって燃焼制御等の各種制御動作が実行される。その電子制御装置１は、図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置），所定の制御プログラム等を予め記憶しているＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ），そのＣＰＵの演算結果を一時記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ），予め用意された情報等を記憶するバックアップＲＡＭ等で構成されている。

最初に、ここで例示する多種燃料内燃機関の構成について図１に基づき説明を行う。尚、その図１においては１気筒のみを図示しているが、本発明は、これに限らず、多気筒の多種燃料内燃機関にも適用可能である。本実施例１においては、複数の気筒を具備しているものとして説明する。

この多種燃料内燃機関には、燃焼室ＣＣを形成するシリンダヘッド１１，シリンダブロック１２及びピストン１３が備えられている。ここで、そのシリンダヘッド１１とシリンダブロック１２は図１に示すヘッドガスケット１４を介してボルト等で締結されており、これにより形成されるシリンダヘッド１１の下面の凹部１１ａとシリンダブロック１２のシリンダボア１２ａとの空間内にピストン１３が往復移動可能に配置される。そして、上述した燃焼室ＣＣは、そのシリンダヘッド１１の凹部１１ａの壁面とシリンダボア１２ａの壁面とピストン１３の頂面１３ａとで囲まれた空間によって構成される。

本実施例１の多種燃料内燃機関は、機関回転数や機関負荷等の運転条件及び燃焼モードに従って空気と燃料を燃焼室ＣＣに送り込み、その運転条件等に応じた燃焼制御を実行する。その空気については、図１に示す吸気通路２１とシリンダヘッド１１の吸気ポート１１ｂを介して外部から吸入される。一方、その燃料については、図１に示す燃料供給装置５０を用いて供給される。

先ず、空気の供給経路について説明する。本実施例１の吸気通路２１上には、外部から導入した空気に含まれる塵埃等の異物を除去するエアクリーナ２２と、外部からの吸入空気量を検出するエアフロメータ２３と、が設けられている。この多種燃料内燃機関においては、そのエアフロメータ２３の検出信号が電子制御装置１へと送られ、その検出信号に基づいて電子制御装置１が吸入空気量や機関負荷等を算出する。

また、その吸気通路２１上におけるエアフロメータ２３よりも下流側には、燃焼室ＣＣ内への吸入空気量を調節するスロットルバルブ２４と、このスロットルバルブ２４を開閉駆動するスロットルバルブアクチュエータ２５と、が設けられている。本実施例１の電子制御装置１は、そのスロットルバルブアクチュエータ２５を運転条件及び燃焼モードに従って駆動制御し、その運転条件等に応じた弁開度（換言すれば、吸入空気量）となるようにスロットルバルブ２４の開弁角度を調節させる。例えば、そのスロットルバルブ２４は、その運転条件等に応じた空燃比と混合気量を成す為に要する吸入空気量の空気を燃焼室ＣＣに吸入させるべく調節される。この多種燃料内燃機関においては、そのスロットルバルブ２４の弁開度を検出し、その検出信号を電子制御装置１に送信するスロットル開度センサ２６が設けられている。

更に、吸気ポート１１ｂはその一端が燃焼室ＣＣに開口しており、その開口部分に当該開口を開閉させる吸気バルブ３１が配設されている。その開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に吸気バルブ３１が配備される。従って、この多種燃料内燃機関においては、その吸気バルブ３１を開弁させることによって吸気ポート１１ｂから燃焼室ＣＣ内に空気が吸入される一方、その吸気バルブ３１を閉弁させることによって燃焼室ＣＣ内への空気の流入が遮断される。

ここで、その吸気バルブ３１としては、例えば、図示しない吸気側カムシャフトの回転と弾性部材（弦巻バネ）の弾発力に伴って開閉駆動されるものがある。この種の吸気バルブ３１においては、その吸気側カムシャフトとクランクシャフト１５の間にチェーンやスプロケット等からなる動力伝達機構を介在させることによってその吸気側カムシャフトをクランクシャフト１５の回転に連動させ、予め設定された開閉時期に開閉駆動させる。本実施例１の多種燃料内燃機関においては、このようなクランクシャフト１５の回転に同期して開閉駆動される吸気バルブ３１を適用する。

但し、この多種燃料内燃機関は、その吸気バルブ３１の開閉時期やリフト量を変更可能な所謂可変バルブタイミング＆リフト機構等の可変バルブ機構を具備してもよく、これにより、その吸気バルブ３１の開閉時期やリフト量を運転条件及び燃焼モードに応じた好適なものへと可変させることができるようになる。更にまた、この多種燃料内燃機関においては、かかる可変バルブ機構と同様の作用効果を得るべく、電磁力を利用して吸気バルブ３１を開閉駆動させる所謂電磁駆動弁を利用してもよい。

続いて、燃料供給装置５０について説明する。この燃料供給装置５０は、性状の異なる複数種類の燃料を燃焼室ＣＣに導くものである。本実施例１にあっては、所定の燃料混合比率で混合した性状の異なる２種類の燃料（第１燃料タンク４１Ａに貯留された第１燃料Ｆ１と第２燃料タンク４１Ｂに貯留された第２燃料Ｆ２）を燃焼室ＣＣ内に直接噴射させるべく構成したものについて例示する。

具体的に、この燃料供給装置５０は、第１燃料Ｆ１を第１燃料タンク４１Ａから吸い上げて第１燃料通路５１Ａに送出する第１フィードポンプ５２Ａと、第２燃料Ｆ２を第２燃料タンク４１Ｂから吸い上げて第２燃料通路５１Ｂに送出する第２フィードポンプ５２Ｂと、その第１及び第２の燃料通路５１Ａ，５１Ｂから各々送られてきた第１及び第２の燃料Ｆ１，Ｆ２を混ぜ合わせる燃料混合手段５３と、この燃料混合手段５３にて生成された混合燃料を加圧して高圧燃料通路５４に圧送する高圧燃料ポンプ５５と、その高圧燃料通路５４の混合燃料を夫々の気筒に分配するデリバリ通路５６と、このデリバリ通路５６から供給された混合燃料を燃焼室ＣＣ内に噴射する各気筒の燃料噴射弁５７と、を備える。

この燃料供給装置５０は、その第１フィードポンプ５２Ａ，第２フィードポンプ５２Ｂ及び燃料混合手段５３を運転条件及び燃焼モードに従って電子制御装置１に駆動制御させ、これにより、その運転条件等に対応させた燃料混合比率の混合燃料が生成されるように構成する。例えば、その電子制御装置１には、第１及び第２のフィードポンプ５２Ａ，５２Ｂに第１及び第２の燃料Ｆ１，Ｆ２を各々吸い上げさせ、その第１及び第２の燃料Ｆ１，Ｆ２を運転条件等に応じた燃料混合比率となるよう燃料混合手段５３に混合させる。ここで、本実施例１の燃料供給装置５０においては、運転条件等に応じた燃料混合比率に準ずる量の第１及び第２の燃料Ｆ１，Ｆ２を第１及び第２の第１フィードポンプ５２Ａ，５２Ｂから各々吸い上げさせ、その第１及び第２の燃料Ｆ１，Ｆ２が運転条件等に応じた燃料混合比率で混合されるように燃料混合手段５３で最終的な調節を行わせてもよい。

このように、本実施例１にあっては、その第１フィードポンプ５２Ａ，第２フィードポンプ５２Ｂ，燃料混合手段５３及び電子制御装置１によって、全燃料（生成された混合燃料）に占める夫々の燃料の混合割合を調節（即ち、第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２の燃料混合比率を制御）する燃料混合比率制御手段が構築される。

また、この燃料供給装置５０は、その高圧燃料ポンプ５５及び燃料噴射弁５７を運転条件及び燃焼モードに従って電子制御装置１に駆動制御させ、これにより、その運転条件等に対応させた燃料噴射量，燃料噴射時期及び燃料噴射期間等の燃料噴射条件で上記の生成された混合燃料が噴射されるように構成する。例えば、その電子制御装置１には、その混合燃料を高圧燃料ポンプ５５から圧送させ、運転条件等に応じた燃料噴射条件で燃料噴射弁５７に噴射を実行させる。

ところで、内燃機関の燃焼モードは、一般に、拡散燃焼モードと予混合火花点火燃焼モードとに大別される。

その拡散燃焼モードとは、燃焼室ＣＣ内に形成された高温の圧縮空気の中に高圧の燃料を噴射することにより燃料の一部を自己着火させ、その燃料と空気を拡散混合させながら燃焼を進行させる燃焼形態のことである。ここで、燃焼室ＣＣ内の圧縮空気と燃料は瞬時に混合され難いので、燃料の噴射開始直後においては、所々で空燃比に濃淡が生じてしまう。一方、拡散燃焼させる際には下記の如く着火性に優れた燃料が使用されるので、その燃料は、全噴射量が噴射し終わるのを待つことなく、燃焼に適した空燃比の部分において自ら発火してしまう。これが為、この拡散燃焼モードにおいては、燃焼に適した空燃比の部分の燃料が先に自己着火し、これにより形成された火炎が残りの燃料と空気を巻き込みながら徐々に燃焼を進行させる。

この拡散燃焼モードで運転させる為には、発火点が圧縮空気の圧縮熱よりも低い着火性の良好な燃料が必要になる。例えば、その着火性の良い燃料としては、軽油やジメチルエーテルなどが考えられる。更に、近年、軽油の代替燃料としてＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄｓ）燃料が注目されており、このＧＴＬ燃料は、所望の性状のものとして生成し易い。これが為、着火性の良い燃料には、着火性を高めるべく生成されたＧＴＬ燃料を使用することもできる。このような着火性の良好な燃料は、拡散燃焼を可能にするだけでなく、拡散燃焼モードで運転する際に窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を減少させ、更に、燃焼時の騒音や振動を抑えることができる。

一方、予混合火花点火燃焼モードとは、燃料と空気を予め混ぜ合わせた燃焼室ＣＣ内の予混合気に火花点火にて火種を与え、その火種を中心にして火炎を伝播させながら燃焼を進行させる燃焼形態のことである。この予混合火花点火燃焼モードには、均質に混ぜ合わされた予混合気に対して点火を行う均質燃焼や、点火手段の周囲に濃度の高い予混合気を形成すると共に更にその周囲に希薄予混合気を形成し、その濃い予混合気に対して点火を行う成層燃焼などの燃焼形態も含む。

この予混合火花点火燃焼モードに適している燃料としては、一般に、ガソリンに代表される蒸発性の高い燃料が考えられる。ここで、蒸発性の高い燃料は、空気と混合され易いので、燃料の過濃領域を減少させ、ＰＭやスモーク、ＮＯｘや未燃炭化水素（未燃ＨＣ）の抑制に寄与する。従って、この蒸発性の高い燃料を拡散燃焼モードで用いることによって、拡散燃焼時にＰＭ等の発生を抑制することができるようになる。その蒸発性の高い燃料としては、そのガソリン以外に、蒸発性の高い性状のものとして生成されたＧＴＬ燃料やジメチルエーテルなどが知られている。

ここで、拡散燃焼モードは、予混合火花点火燃焼モードに比べて圧縮比を高く設定できるので、熱効率が高く、中高負荷・低回転や高負荷・高回転等の運転条件のときには有用であるが、低負荷・低回転等を含む全ての運転条件において有用であるとは限らない。これに対して、予混合火花点火燃焼モードは、その拡散燃焼モードが苦手とする低負荷・低回転や低中負荷・高回転等の運転条件のときに、その拡散燃焼モードよりも効果的な燃焼状態を保つことができる。

そこで、本実施例１においては、拡散燃焼モードと予混合火花点火燃焼モードの双方を多種燃料内燃機関の燃焼モードとして用意する。

従って、本実施例１の多種燃料内燃機関においては、少なくとも拡散燃焼モードに好適な着火性の良い燃料と予混合火花点火燃焼モードに好適な蒸発性の高い燃料の２種類の燃料を使用する。ここでは、第１燃料Ｆ１に着火性の良い燃料を用い、第２燃料Ｆ２に蒸発性の高い燃料を用いる。

また、本実施例１の多種燃料内燃機関には、予混合火花点火燃焼モードでの運転を可能にする為、予混合気に対して火花点火させる図１に示す点火プラグ６１を配設する。この点火プラグ６１は、電子制御装置１の指示に従い、予混合火花点火燃焼モード時の運転条件に応じた点火時期になると火花点火を実行する。

更に、その電子制御装置１には、上述した夫々の燃焼モードを運転条件に従って切り替えさせる。この燃焼モードの選択は、例えば、運転条件（機関回転数及び機関負荷）をパラメータにした図２に示す如きマップデータを利用して行う。このマップデータは、中高負荷・低回転や高負荷・高回転等の運転条件のときに拡散燃焼モードで運転させ、低負荷・低回転や低中負荷・高回転等の運転条件のときに予混合火花点火燃焼モードで運転させるように予め実験やシミュレーションに基づき設定されたものである。

ここで、その機関回転数については、図１に示すクランク角センサ１６の検出信号から把握することができる。このクランク角センサ１６は、クランクシャフト１５の回転角度を検出するセンサである。一方、機関負荷については、上述したエアフロメータ２３の検出信号から把握することができる。

また更に、この電子制御装置１には、その運転条件と燃焼モードに基づいて吸入空気量，燃料混合比率及び燃料噴射条件を設定させる。これらについては、例えば、運転条件（機関回転数及び機関負荷）をパラメータにした燃焼モード毎のマップデータを利用して各々設定する。

ここで、予混合火花点火燃焼モードにおいては、予め燃料と空気を十分に混合させるので、ＰＭやスモークの排出を抑えることができる。

一方、拡散燃焼モードにおいては、圧縮空気中に燃料が噴射されるので蒸発性の低い燃料を使用した場合には燃料と空気の混合状態が均一になり難く、更に、拡散燃焼期間と後燃え期間で燃焼室ＣＣ内の温度と圧力が低下する為に、不完全燃焼を引き起こしてＰＭやスモークが発生され易くなってしまう。特に、ＰＭやスモークの発生量は、混合燃料の蒸発性が低下するほど増加していく。これが為、この拡散燃焼モードにおいては、上述した蒸発性の高い燃料を着火性の良い燃料に混ぜ合わせて混合燃料の蒸発性を高めることによって、その混合燃料と空気の混合が促進されて混合燃料の過濃領域が減少されるので、ＰＭやスモークの発生量を減少させることができる。

ここで、この拡散燃焼モードにおいては、機関回転数が高回転になればなるほど混合燃料と空気を拡散混合させる時間が足りなくなるので、その混合状態が更に不均一になってしまう。更に、拡散燃焼モードとは、上述したが如く、自己着火によって形成された火炎が残りの燃料と空気を巻き込みながら徐々に燃焼を進行させていくものであり、燃焼速度が遅く、燃焼し終えるまでに時間を要する。これが為、この拡散燃焼モードにおいては、機関回転数が高回転になればなるほど燃焼時間を確保することができなくなる。従って、拡散燃焼モードで運転する場合には、機関回転数が高回転になればなるほど燃焼状態が悪化してしまい、ＰＭやスモークの発生量が増加していく。このことは、大量の混合燃料を噴射し終えるまでに時間のかかる高負荷側で顕著に表れる。

そこで、本実施例１の電子制御装置１には、図３のマップデータに示す如く、機関回転数が高回転になるにつれて蒸発性の高い燃料（高蒸発性燃料）の混合割合を高く設定させる。例えば、その高蒸発性燃料の混合割合は、燃料混合手段５３への着火性の良好な燃料（高着火性燃料）の供給量を減少させる一方で高蒸発性燃料の供給量を増量させることにより高めてもよく、高着火性燃料の供給量を保持しつつ高蒸発性燃料の供給量を増量させることにより高めてもよい。これにより、本実施例１の多種燃料内燃機関は、機関回転数が上昇してもＰＭやスモークの発生を抑制することができる。

本実施例１においては、上述したが如く、第１燃料Ｆ１に着火性の良い燃料を使用し、第２燃料Ｆ２に蒸発性の高い燃料を使用した場合について例示している。従って、本実施例１の電子制御装置１には、拡散燃焼モードを選択した際に、機関回転数が高回転になるにつれて第２燃料Ｆ２の混合割合を高く設定させる。

例えば、本実施例１の多種燃料内燃機関においては、第１燃料Ｆ１に軽油を使用し、これよりも着火性に劣るが蒸発性の高いガソリンを第２燃料Ｆ２に使用する組み合わせが考えられる。しかしながら、第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２がかかる関係を有する場合には、着火性に劣る第２燃料Ｆ２の混合割合を必要以上に高めてしまうと全く自己着火されなくなる虞があり好ましくない。これが為、かかる組み合わせの場合には、最低限自己着火されるように実験やシミュレーション等で予め機関回転数毎の燃料混合比率を求め、例えば、上記の図３に示すマップデータとして設定しておくことが望ましい。これにより、本実施例１の多種燃料内燃機関は、拡散燃焼を行いながらもＰＭやスモークの発生を抑制することができる。

一方、上述したが如く、ジメチルエーテルは、着火性も良いが蒸発性も高い。更に、ＧＴＬ燃料については着火性と蒸発性の双方の性能を高めることもできるので、その双方の性能に優れるＧＴＬ燃料を作り出すことができる。従って、第１燃料Ｆ１に軽油を使用し、第２燃料Ｆ２にジメチルエーテルや着火性及び蒸発性の双方に優れるＧＴＬ燃料を使用する組み合わせとなる場合もあり得る。これが為、かかる組み合わせの場合には、何れの燃料を使用しても着火性が低下しないので、蒸発性の高い第２燃料Ｆ２の増量に重点を置くことが好ましい。

他方、そのようなジメチルエーテルや着火性及び蒸発性の双方に優れるＧＴＬ燃料を第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２に各々使用する事も可能である。これが為、かかる組み合わせの場合には、例えば、蒸発性の向上により得られる効果を優先させるのであれば第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２の内で最も蒸発性の良好な方の混合割合を高め、蒸発性の向上による効果はどちらの燃料を増やしても達成し得るのであれば他の効果を得られる方の混合割合を高くすることが好ましい。

以下に、本実施例１の多種燃料内燃機関における燃料の混合制御動作について図４のフローチャートを用いて説明する。

先ず、本実施例１の電子制御装置１は、運転条件（機関回転数と機関負荷）を図２に示すマップデータに照らし合わせ、要求される燃焼モードが拡散燃焼モードであるか否か判断する（ステップＳＴ１）。

ここで、この電子制御装置１は、そのステップＳＴ１で拡散燃焼モードと判断した場合、その際の機関回転数を図２に示すマップデータに照らし合わせて第２燃料（高蒸発性燃料）Ｆ２の混合割合を求め、第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２の燃料混合比率を算出する（ステップＳＴ２）。本実施例１にあっては、上述したが如く、機関回転数が高回転になればなるほど蒸発性の高い第２燃料Ｆ２の混合割合を高く設定する。そして、この電子制御装置１は、その燃料混合比率となるように第１フィードポンプ５２Ａ，第２フィードポンプ５２Ｂ及び燃料混合手段５３を駆動制御し、第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２をその燃料混合比率で混合させる（ステップＳＴ３）。その混合燃料は、電子制御装置１によって駆動制御された高圧燃料ポンプ５５からデリバリ通路５６へと圧送される。

本実施例１の電子制御装置１は、その燃料の混合制御を行うと共に、スロットルバルブアクチュエータ２５を駆動制御してスロットルバルブ２４を運転条件に応じた開弁角度にする。従って、吸気バルブ３１が開弁した際には、その運転条件に応じた吸入空気量の空気が燃焼室ＣＣに吸入される。その吸入空気は、吸気バルブ３１が閉弁した後に、ピストン１３が吸気行程の圧縮上死点に近づくに従い圧縮されて高温になる。しかる後、その電子制御装置１は、その運転条件に応じた燃料噴射時期になると燃料噴射弁５７を駆動制御して、上記の燃料混合比率からなる混合燃料を燃焼室ＣＣ内の圧縮空気の中へと噴射させる。これにより、本実施例１の多種燃料内燃機関は、その混合燃料が自己着火して拡散燃焼を行う。

ここで、この多種燃料内燃機関においては、機関回転数の上昇に従って第２燃料（高蒸発性燃料）Ｆ２の混合割合が高くなり混合燃料の蒸発性が高まっていくので、機関回転数が高回転化に伴い空気と混合燃料との混合時間が減少していっても、その混合時間の早期化を図ることができる。従って、本実施例１の多種燃料内燃機関においては、拡散燃焼モード運転時における機関回転数の上昇に伴う不完全燃焼が抑制されるので、ＰＭやスモークの発生を抑えることができる。

一方、この電子制御装置１は、上記ステップＳＴ１にて拡散燃焼モードではないと判断した場合、その判断された燃焼モードにおけるその際の運転条件に応じた燃料混合比率を算出する（ステップＳＴ４）。ここでは、拡散燃焼モード以外の燃焼モードとして予混合火花点火燃焼モードが用意されているので、この予混合火花点火燃焼モードにおける燃料混合比率を求める。そして、この電子制御装置１は、上記ステップＳＴ３に進み、その燃料混合比率となるように第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２を混合させる。

本実施例１の電子制御装置１は、この予混合火花点火燃焼モードにおける燃料の混合制御を行うと共にスロットルバルブ２４を運転条件に応じた開弁角度に設定させる。従って、吸気バルブ３１が開弁した際には、その運転条件に応じた吸入空気量の空気が燃焼室ＣＣに吸入される。この電子制御装置１は、その吸気行程中の所定の燃料噴射時期に燃料噴射弁５７を駆動制御して、上記の燃料混合比率からなる混合燃料を燃焼室ＣＣに噴射させる。そして、これに伴い燃焼室ＣＣ内で空気と混合燃料とが混ぜ合わされるので、この電子制御装置１は、その予混合気に対して運転条件に応じた点火時期になると点火プラグ６１から点火させる。これにより、この多種燃料内燃機関においては、予混合火花点火燃焼が行われる。

そのようにして各種燃焼モードにて燃焼された後の筒内ガスは、燃焼室ＣＣから図１に示す排気ポート１１ｃへと排出される。ここで、この排気ポート１１ｃには、燃焼室ＣＣとの間の開口を開閉させる排気バルブ７１が配設されている。その開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に上述した排気バルブ７１が配備される。従って、この多種燃料内燃機関においては、その排気バルブ７１を開弁させることによって燃焼室ＣＣ内から排気ポート１１ｃに燃焼後の筒内ガスが排出され、その排気バルブ７１を閉弁させることによって筒内ガスの排気ポート１１ｃへの排出が遮断される。

ここで、その排気バルブ７１としては、上述した吸気バルブ３１と同様に、動力伝達機構を介在させたもの、所謂可変バルブタイミング＆リフト機構等の可変バルブ機構を具備したものや所謂電磁駆動弁を適用することができる。

ところで、本実施例１においては着火性の良好な燃料と蒸発性の高い燃料の２種類の燃料で運転される多種燃料内燃機関について例示したが、これらとは異なる別の燃料を更に使用する場合、その燃料については、それらと同様の性状を備えた別種の燃料を使用してもよく、また、本機関に求められる出力性能等の機関性能やエミッション性能及び燃費性能等の環境性能、燃料供給のインフラ環境（即ち、入手し易さ）などに応じて最適な性状の燃料を選択してもよい。

ここで、近年においては、上述した拡散燃焼モードと予混合火花点火燃焼モードの夫々の利点を備えた予混合圧縮着火燃焼モードと呼ばれる燃焼モードが注目されている。この予混合圧縮着火燃焼モードとは、燃焼室ＣＣに供給された燃料と空気を混ぜ合わせ、これにより形成された予混合気をピストン１３で圧縮して自己着火させる燃焼形態のことであり、所謂ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼モードと呼ばれるものである。

この予混合圧縮着火燃焼モードについては、上述した拡散燃焼モードが燃料噴射時期によって着火時期を制御でき、また、予混合火花点火燃焼モードが燃料噴射時期と点火時期によって着火時期を制御できる一方で、着火時期が予混合気の圧縮熱に依存してしまうので着火制御を行い難い。更に、この予混合圧縮着火燃焼モードは、現状では運転条件が狭く、例えば、アイドリング回転を維持し難いなどの課題も存在している。しかしながら、この予混合圧縮着火燃焼モードに関しては、熱効率に優れる拡散燃焼モードとＮＯｘやＰＭの排出量が殆ど無い予混合火花点火燃焼モードの夫々の利点を活かすことのできる燃焼形態であるので、狭い領域ながらも運転条件によっては利用することが好ましい。従って、この多種燃料内燃機関においては、拡散燃焼モードに加え、上記の予混合火花点火燃焼モードと共に又は予混合火花点火燃焼モードに替えて予混合圧縮着火燃焼モードを用意してもよい。

以上示した如く、本実施例１の多種燃料内燃機関によれば、混合燃料の一部に少なくとも蒸発性の高い燃料を使用し、この蒸発性の高い燃料の混合割合を機関回転数が高回転になるほど高めることによって、機関回転数の上昇に伴い増加してしまうスモークの発生を抑えることができる。

次に、本発明に係る多種燃料内燃機関の実施例２を図５及び図６に基づいて説明する。

本実施例２の多種燃料内燃機関は、拡散燃焼時には機関負荷が高負荷になればなるほど不完全燃焼になり易く、高負荷になるにつれてＰＭやスモークの発生量が増加していく、という点に着目したものであり、それに係る構成を前述した実施例１の多種燃料内燃機関に対して変更したものである。即ち、本実施例２の多種燃料内燃機関は、前述した実施例１の多種燃料内燃機関において拡散燃焼モード運転時のＰＭやスモークの抑制制御に係る構成を変更したものであり、それ以外については実施例１と同様に構成する。

そこで、本実施例２の多種燃料内燃機関においては、拡散燃焼モード運転時に機関負荷が高負荷になればなるほど混合燃料の蒸発性を高め、これにより、高負荷になるにつれて悪化していく燃焼状態の改善を図ってＰＭやスモークの発生を抑制させる。

本実施例２にあっては、機関負荷が高負荷になるにつれて蒸発性の高い燃料（高蒸発性燃料）の混合割合を高く設定させるように電子制御装置１を構成する。例えば、本実施例２の電子制御装置１においても、実施例１と同様に、その高蒸発性燃料の混合割合を図５に示すマップデータに基づいて求めさせる。このマップデータは、予め実験やシミュレーションから求めたＰＭ等の発生を抑制可能な機関負荷毎の高蒸発性燃料の混合割合について設定したものである。

ここで、本実施例２の多種燃料内燃機関においても、実施例１と同様に、第１燃料Ｆ１に着火性の良い燃料を使用し、第２燃料Ｆ２に蒸発性の高い燃料を使用した場合について例示する。従って、この本実施例２の多種燃料内燃機関においては、拡散燃焼モード運転時には機関負荷が高負荷になればなるほど着火性の良い第１燃料Ｆ１の混合割合が低下していくので、その際の混合燃料ではＰＭやスモークの発生を抑える以前の問題として自己着火しない可能性が考えられる。しかしながら、一般に機関負荷が高負荷になるにつれて吸入空気の温度や圧力が高くなるので、拡散燃焼モードにおいては、着火性の低い混合燃料を使用しても安定した着火を行うことができる。これが為、本実施例２の多種燃料内燃機関は、高負荷側で安定した着火を保ちながらもＰＭやスモークの発生を抑えることができる。

一方、拡散燃焼モードにおいては、機関負荷が低下していくと吸入空気の温度や圧力が低くなるので、混合燃料の着火性が低い場合には、急峻な燃焼や失火に至ってしまい、ＮＯｘの発生量を増加させてしまう虞がある。しかしながら、本実施例２の多種燃料内燃機関においては、低負荷側ではＰＭやスモークの発生量が高負荷側よりも少ないので、上記の図５のマップデータからも明らかなように、蒸発性の高い第２燃料Ｆ２の混合割合を低負荷になるにつれて低下させている。これが為、この多種燃料内燃機関においては、拡散燃焼モード運転時に、機関負荷の低下に伴って着火性の良好な第１燃料Ｆ１の混合割合が高くなり、混合燃料の着火性が向上していくので、低負荷側においても安定した着火を保ちながらＰＭやスモークの発生を抑えることができる。

以下に、本実施例２の多種燃料内燃機関における燃料の混合制御動作について図６のフローチャートを用いて説明する。ここでも、実施例１と同様に、燃焼モードとして拡散燃焼モードと予混合火花点火燃焼モードが設定されている場合を例示する。

先ず、本実施例１の電子制御装置１は、実施例１のステップＳＴ１と同様にして、運転条件（機関回転数と機関負荷）に基づき燃焼モードが拡散燃焼モードであるか否か判断する（ステップＳＴ１１）。

ここで、この電子制御装置１は、そのステップＳＴ１１で拡散燃焼モードと判断した場合、その際の機関負荷を図５に示すマップデータに照らし合わせて第２燃料（高蒸発性燃料）Ｆ２の混合割合を求め、第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２の燃料混合比率を算出する（ステップＳＴ１２）。本実施例２にあっては、上述したが如く、機関負荷が高負荷になればなるほど第２燃料Ｆ２の混合割合を高く設定する。そして、この電子制御装置１は、実施例１のステップＳＴ３と同様に、その燃料混合比率となるように第１フィードポンプ５２Ａ，第２フィードポンプ５２Ｂ及び燃料混合手段５３を駆動制御して、第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２をその燃料混合比率で混合させる（ステップＳＴ１３）。

その後、本実施例１の電子制御装置１は、スロットルバルブアクチュエータ２５や燃料噴射弁５７を駆動制御し、その混合燃料を圧縮空気中に噴射させて拡散燃焼を行わせる。ここで、この多種燃料内燃機関においては、機関負荷が高負荷になるほど第２燃料（高蒸発性燃料）Ｆ２の混合割合が高くなる一方で、低負荷になるほど第１燃料（高着火性燃料）Ｆ１の混合割合が高くなるので、上述したが如く、様々な負荷条件で安定した着火を行いながらＰＭやスモークの発生を抑えることができる。

一方、この電子制御装置１は、上記ステップＳＴ１１にて拡散燃焼モードではないと判断した場合、実施例１のステップＳＴ４と同様にして、その判断された燃焼モードに対応する燃料混合比率を算出し（ステップＳＴ１４）、その燃焼モードで多種燃料内燃機関を運転させる。

以上示した如く、本実施例２の多種燃料内燃機関によれば、少なくとも着火性の良好な燃料と蒸発性の高い燃料とを使用し、機関負荷が高負荷になるほど蒸発性の高い燃料の混合割合を高めることによって、あらゆる機関負荷において混合燃料の良好な着火性を確保しつつＰＭやスモークの発生を抑制することができる。

尚、本実施例２の多種燃料内燃機関においても、実施例１と同様に３種類以上の燃料を使用してもよい。

ところで、上述した各実施例１，２においては第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２の混合燃料を燃焼室ＣＣに直接噴射させる所謂筒内直接噴射式の多種燃料内燃機関について例示したが、その各実施例１，２における夫々の発明は、その混合燃料を燃焼室ＣＣ内だけでなく吸気ポート１１ｂへも噴射させる多種燃料内燃機関に適用してもよい。

例えば、この種の多種燃料内燃機関は、その各実施例１，２の多種燃料内燃機関において燃料供給装置５０を図７に示す燃料供給装置１５０へと置き換えることによって構成される。その図７に示す燃料供給装置１５０は、その各実施例１，２における燃料供給装置５０の各種構成部品に加えて、燃料混合手段５３で生成された混合燃料を燃料通路１５４に吐出する燃料ポンプ１５５と、その燃料通路１５４の混合燃料を夫々の気筒に分配するデリバリ通路１５６と、このデリバリ通路１５６から供給された混合燃料を吸気ポート１１ｂに噴射する各気筒の燃料噴射弁１５７と、を設けたものである。この種の多種燃料内燃機関においては、例えば、拡散燃焼モードで運転する際に燃料噴射弁５７を駆動制御して混合燃料を燃焼室ＣＣ内へと噴射させ、予混合火花点火燃焼モードで運転する際に燃料噴射弁１５７を駆動制御して混合燃料を吸気ポート１１ｂへと噴射させる。また、予混合圧縮着火燃焼モードで運転する際には、運転条件に応じて燃料噴射弁５７と燃料噴射弁１５７とを択一的に選択させてもよい。

また、その各実施例１，２では予め燃料混合手段５３で混合しておいた混合燃料を燃料噴射弁５７から燃焼室ＣＣ内へと噴射させるように燃料供給装置５０を構成しているが、夫々の燃料（第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２）については、その燃料混合手段５３を用いることなく個別に燃焼室ＣＣ内へと直接噴射してもよい。即ち、筒内直接噴射用の燃料噴射弁を燃料毎に配備した多種燃料内燃機関に対して、各実施例１，２における夫々の発明を適用してもよい。かかる場合の多種燃料内燃機関においては、設定された燃料混合比率となるように夫々の燃料噴射弁を駆動制御させる。

以上のように、本発明に係る多種燃料内燃機関は、拡散燃焼モード運転時におけるＰＭやスモークの発生の抑制技術として有用である。

本発明に係る多種燃料内燃機関の実施例１，２の構成について示す図である。 燃焼モードを設定する際に用いるマップデータの一例を示す図である。 実施例１における高蒸発性燃料の混合割合の設定条件について示す図である。 実施例１の多種燃料内燃機関における燃料の混合制御動作について説明するフローチャートである。 実施例２における高蒸発性燃料の混合割合の設定条件について示す図である。 実施例２の多種燃料内燃機関における燃料の混合制御動作について説明するフローチャートである。 本発明に係る多種燃料内燃機関の変形例の構成について示す図である。

符号の説明

１ 電子制御装置
４１Ａ 第１燃料タンク
４１Ｂ 第２燃料タンク
５０ 燃料供給装置
５３ 燃料混合手段
５７ 燃料噴射弁
６１ 点火プラグ
１５０ 燃料供給装置
１５７ 燃料噴射弁
Ｆ１ 第１燃料
Ｆ２ 第２燃料

Claims (2)

1. 性状の異なる少なくとも２種類の燃料を用い、少なくとも拡散燃焼モード又は予混合火花点火燃焼モードを切り替えて運転される多種燃料内燃機関において、
   拡散燃焼を行う際に機関回転数が高回転であるほど前記各種燃料の内の蒸発性の高い燃料の混合割合を高めるよう当該各種燃料の燃料混合比率の調節を行う燃料混合比率制御手段を設けたことを特徴とする多種燃料内燃機関。
2. 性状の異なる少なくとも２種類の燃料を用い、少なくとも拡散燃焼モード又は予混合火花点火燃焼モードを切り替えて運転される多種燃料内燃機関において、
   拡散燃焼を行う際に機関負荷が高負荷であるほど前記各種燃料の内の蒸発性の高い燃料の混合割合を高めるよう当該各種燃料の燃料混合比率の調節を行う燃料混合比率制御手段を設けたことを特徴とする多種燃料内燃機関。

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