JP2000213444A - エンジンの着火時期制御装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】着火抑制物質をエンジンの運転条件に応じた必
要な量だけエンジンに供給できるようにして所望の着火
時期に燃料を着火させる。これにより希薄予混合自着火
方式における早期自着火を防止する。 【解決手段】燃料の一部が改質手段１２によって着火抑
制物質（アルデヒド類）に改質される。そしてこの改質
された着火抑制物質が液状の着火抑制物質２６にされて
貯蔵手段１４で貯蔵される。そして所望の着火時期に燃
料が着火するために必要な量だけの液状の着火抑制物質
２６が、未改質の燃料とともに供給手段１８、１７、１
９、７によってエンジン１の圧縮室２内に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエンジンの圧縮室内
に空気と燃料を供給し、これら空気と燃料の混合気を圧
縮した所望の時期に燃料を着火させて燃焼を行うディー
ゼルエンジンなどのエンジンに関し、特にそのエンジン
の着火時期を制御するエンジンの着火時期制御装置およ
び制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ディ
ーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比較して熱効率
に優れていて過酷な条件（高負荷連続運転）に耐えるな
どの利点を有している。しかし一方で窒素酸化物ＮＯx
がガソリンエンジンの２〜３倍程度排出されたり、すす
（粒子状排出物）が排出されたりするなど排気が清浄で
はなく、環境的に好ましくないなどの不利な点もある。

【０００３】そこで本発明者らは熱効率を維持しつつ排
気を清浄化する方法について研究を続けている。

【０００４】ここに従来のディーゼルエンジンの燃焼
は、ピストンによって圧縮した高温空気中に燃料を噴射
させて燃料を燃焼させるというものである（従来燃焼方
式）。しかしこの従来燃焼方式を採用すると、シリンダ
内で局所的に燃焼温度が高くなり上述したようにＮＯx
が大量に発生する。またシリンダ内で局所的に空気が不
足して上述したようにすすが大量に発生してしまう。こ
こに従来は燃料の噴射を高圧にすることでこれら問題に
対処していた。しかしこの燃料噴射の高圧化による方法
には限界があることが明らかになった。

【０００５】そこで近年つぎのような燃焼方法が考えら
れている。

【０００６】すなわちピストンによる圧縮前（ピストン
が下死点付近に位置している間）に、空気に対する燃料
の比率が比較的少なくなるように燃料を空気とともにシ
リンダ内に吸入させる。これによって希薄な予混合気が
シリンダ内に形成される。その後予混合気をピストンに
よって圧縮して、シリンダ内の温度を上昇させる。そし
て混合気が温度等の各パラメータにより定まる着火臨界
条件を超えると、シリンダ内の圧縮室（燃焼室）全域に
わたって燃料が自己着火することになる。なおこの燃焼
方式を本明細書では「希薄予混合自着火方式」と呼ぶ。

【０００７】上記希薄予混合自着火方式を採用するとき
は、予め空気と燃料を均一に混合させておくことができ
るので、シリンダ内の圧縮室（燃焼室）全域で均一に燃
料が燃焼する。しかも空気に対する燃料の比率を少なく
することができ混合気を薄くすることができる。このた
め排出されるＮＯxを少なくすることができる。また均
一に燃焼するため、すすの排出量を少なくすることがで
きる。

【０００８】しかしこの希薄予混合自着火方式を採用す
るときは、圧縮上死点前の早期に自着火してしまい燃焼
が異常になりノッキングが発生し、これにより機関の熱
効率の悪化や機関自体の損傷を引き起こすことが本発明
者らによって明らかになった。しかも異常な燃焼となら
ずに安定した燃焼を引き起こす最適な着火時期の範囲が
非常に狭いということも明らかになった。

【０００９】したがって、早期自着火を起こさずに非常
に狭い着火時期に正確に燃料を着火させることができる
着火時期制御が必要となる。

【００１０】そこでエンジンの早期自着火を防止する従
来の方法を適用することが考えられる。その早期自着火
防止の従来の方法の一つとして、「燃料となる炭化水素
自体を燃えにくいものに改質する。」という方法があ
る。

【００１１】この改質による方法については、燃料とな
る炭化水素をクラッキングにより低分子化して、低分子
化した改質ガスを内燃機関に供給して自着火を抑制する
方法が提案されている。

【００１２】この種の技術として特表平６−５０７９５
６号公報に掲載されたものがある。

【００１３】この公報には、燃料を触媒によって接触分
解し炭素数で３〜５の炭素鎖の短いガス状の生成物にク
ラッキングしてこれをガスタービンに供給することで、
燃料の着火性を低下させ、圧縮空気と燃料が十分に混合
されるまでの時間内に燃料が着火することを防止すると
いう発明が記載されている。

【００１４】この公報記載の発明では定常運転の頻度が
高く、生成物添加量を運転条件に応じて制御する必要性
のないガスタービンを対象としている。

【００１５】しかしこの発明をディーゼルエンジンやガ
ソリンエンジンのように、自動車などの移動機械や中・
小型発電機などの用途に用いられ運転条件が大きく変動
する機関を対象とした場合には、運転条件に応じて生成
物添加量をきめ細かく制御する必要がある。

【００１６】すなわち接触分解による改質では化学反応
の遅れ時間はエンジンの運転変動に比べてはるかに大き
い。このためエンジンの運転条件に合わせて改質装置を
制御することは事実上不可能である。つまり改質反応器
でエンジンの運転条件に応じて反応条件を変化させガス
状生成物の生成量を変化させる制御系を実現することは
難しい。

【００１７】そこで改質装置とエンジンの燃焼室との中
間に改質物質たるガス状生成物を一旦蓄えておき運転条
件に応じて燃焼室側へ必要量を添加する構成が必要とな
る。

【００１８】しかしガス状生成物を定容の容器にバッフ
ァとして蓄えるように構成しようとすると、蓄積量の変
動が容器内圧の変動につながるという問題が発生する。
つまり蓄積量の変動が改質反応器の圧力変動につながる
ことになる。このため安定した改質操作ができなくなる
おそれがある。

【００１９】さらに蓄積したガス状生成物を必要量だけ
添加するように構成しようとすると、変動する圧力源か
ら精度よく必要な量のガスを取り出す制御が必要とな
る。この場合圧力調整器で調圧する制御か、質量式のガ
ス流量検出器を使用する制御が必要となる。

【００２０】前者の圧力調整器で調圧する制御を採用し
た場合には容器圧力を所定値以上に保持する必要があ
り、改質器などの圧力もそれに応じて高める必要があ
る。これを実現することは難しい。また後者の質量式の
ガス流量検出器を使用する制御を採用した場合には高コ
ストを招くとともに、生成物の組成が変動した場合に対
処できないという問題が発生する。

【００２１】また特開平８−５０９０４３号公報には、
燃料油から低分子量のガス状生成物を蒸留やクラッキン
グによって生成し、これをエンジン始動時に供給するこ
とでエンジン始動時に発生する多量のＨＣ（ハイドロカ
ーボン）排出物を低減させるという発明が記載されてい
る。

【００２２】しかしこの公報記載の発明は、エンジン始
動時に一定量の改質物質たるガス状生成物を燃料に添加
することを想定しており、エンジンの運転条件に応じて
添加量を制御することを想定していない。この発明を、
エンジンの運転条件に応じて必要な量を添加する場合に
適用しようとすると、上記特表平６−５０７９５６号公
報について述べたのと同様な問題が招来することにな
る。

【００２３】さらにまた特開昭４９−１０５０２５号公
報には、燃料の一部を改質してガス状のアルデヒド類を
生成し、これを燃料とは別経路で少量だけガソリンエン
ジンのシリンダ内に添加、供給して、燃焼室における火
炎伝搬速度を向上させるという発明が記載されている。

【００２４】しかしこの公報記載の発明も上述した公報
記載の発明と同様に、ガス状の改質物を一定量だけ燃料
に添加することを想定しており、エンジンの運転条件に
応じて添加量を制御することを想定していない。この発
明を、エンジンの運転条件に応じて必要な量を添加する
場合に適用しようとすると、上記特表平６−５０７９５
６号公報について述べたのと同様な問題が招来すること
になる。

【００２５】以上のようにガス状の改質物質を一旦蓄
え、蓄えた改質物質を運転条件に応じて、必要な添加量
だけエンジンの燃焼室に供給するという制御を実現する
ことは、従来の技術では困難である。

【００２６】本発明はこうした実状に鑑みてなされたも
のであり、たとえ着火を抑制する改質物質としてガス状
の着火抑制物質が得られたとしても、この着火抑制物質
をエンジンの運転条件に応じた必要な量だけエンジンに
供給できるようにして所望の着火時期に着火させ、希薄
予混合自着火方式における早期自着火を防止することを
解決課題とするものである。

【００２７】

【課題を解決するための手段および作用、効果】そこで
本発明の第１発明は上記解決課題を達成するために、エ
ンジンの圧縮室内に空気と燃料を供給し、これら空気と
燃料の混合気を圧縮した所望の着火時期に前記燃料を着
火させて燃焼を行うエンジンの着火時期を制御するエン
ジンの着火時期制御装置において、前記燃料の一部を着
火抑制物質に改質する改質手段と、前記改質された着火
抑制物質を液状にして貯蔵する貯蔵手段と、前記所望の
着火時期に燃料が着火するために必要な量の液状の着火
抑制物質を、未改質の燃料とともに前記圧縮室内に供給
する供給手段とを具えたことを特徴とする。

【００２８】また第２発明では、第１発明において、前
記改質手段は、燃料の炭化水素を、部分酸化することに
よって着火抑制物質としてのアルデヒド類と水を生成す
るものであり、前記貯蔵手段は、前記改質手段で得られ
た水に前記アルデヒド類を溶解させることで着火抑制物
質を液状にして貯蔵するものであることを特徴とする。

【００２９】また第３発明では、エンジンの圧縮室内に
空気と燃料を供給し、これら空気と燃料の混合気を圧縮
した所望の着火時期に前記燃料を着火させて燃焼を行う
エンジンの着火時期を制御するエンジンの着火時期制御
方法において、前記燃料の一部を着火抑制物質に改質す
る改質行程と、前記改質された着火抑制物質を液状にし
て貯蔵する貯蔵行程と、前記所望の着火時期に燃料が着
火するために必要な量の液状の着火抑制物質を、未改質
の燃料とともに前記圧縮室内に供給する供給行程とを具
えたことを特徴とする。

【００３０】本発明は燃料の一部を改質し改質物質とし
てガス状の着火抑制物質（アルデヒド類）が得られた場
合に、これを液状にして貯蔵すれば、エンジンの運転条
件に応じた必要な量だけエンジンに供給する制御が安定
して容易に行うことができるという点に着目してなされ
たものである。

【００３１】第１発明によれば、図１、図４に示すよう
に燃料の一部が改質手段１２によって着火抑制物質（ア
ルデヒド類）に改質される。そしてこの改質された着火
抑制物質が液状の着火抑制物質２６にされて貯蔵手段１
４で貯蔵される。

【００３２】そして所望の着火時期に燃料が着火するた
めに必要な量だけの液状の着火抑制物質２６が、未改質
の燃料とともに供給手段１８、１７、１９、７によって
エンジン１の圧縮室２内に供給される。

【００３３】着火抑制物質を液状にして貯蔵すれば、安
定して所望する量の着火抑制物質を制御することが可能
となる。また液状であるので本来の未改質燃料（液体）
と同様にして供給量の制御系を、既存の燃料噴射装置７
等を用いて簡易な構造で容易に実現することができる。
また低コストで装置を構築することができる。また液状
であるので着火抑制物質の組成が変動した場合にも対処
することができる。

【００３４】この結果、着火抑制物質をエンジンの運転
条件に応じた必要な量だけエンジンに供給できることが
可能となり所望の着火時期に燃料が着火する。これによ
り希薄予混合自着火方式における早期自着火が防止され
る。

【００３５】また本発明を具体的に説明すれば、図５に
示すように、着火抑制物質は、アルデヒド類（ＣＨ3−
ＣnＨ2n−ＣＨＯ）とされる。

【００３６】一般に混合気（燃料）の着火性は混合気
（燃料）を構成する炭化水素の構造によって異なる。一
般的に炭素鎖長の短い炭化水素を多く含む混合気は着火
性が悪く、炭素鎖に分岐を持つものや芳香族炭化水素も
着火性が悪い。

【００３７】とりわけアルデヒド類は混合気（燃料）の
着火時期を遅らせる効果があり、その中でもホルムアル
デヒド（ＨＣＨＯ）はその効果が高い。

【００３８】第２発明によれば、図５に示すように、燃
料の炭化水素（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨ3）が、部分酸化
反応により着火抑制物質としてのアルデヒド類（ＣＨ3
−ＣnＨ2n−ＣＨＯ）と水（Ｈ2Ｏ）になる。そしてこの
反応で得られた水（Ｈ2Ｏ）にアルデヒド類（ＣＨ3−Ｃ
nＨ2n−ＣＨＯ）が溶解されることで着火抑制物質が液
状にして貯蔵される。アルデヒド類とりわけ着火抑制効
果の大きなホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）は水（Ｈ2
Ｏ）に溶解し易い。よって部分酸化反応によって生成さ
れた水蒸気を凝結させて液体にして、これにアルデヒド
類を溶かすようにすれば、容易に液状の着火抑制物質を
取得することができる。

【００３９】また本発明を具体的に説明すれば、図５に
示すように、燃料の炭化水素（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨ
3）が、部分酸化反応により着火抑制物質としてのアル
デヒド類（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨＯ）と水（Ｈ2Ｏ）に
なる。そしてこの反応で得られた水（Ｈ2Ｏ）にアルデ
ヒド類（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨＯ）が溶解されることで
液状のアルデヒド類２６とガス状の着火抑制物質（副反
応で得られたクラッキング生成物等）２５とに分離され
る（図４参照）。そして液状のアルデヒド類２６が貯蔵
される。

【００４０】そして図１、図４に示すように液状のアル
デヒド類２６が貯蔵手段１４を経由してエンジン１の圧
縮室２内に供給されるとともにガス状の着火抑制物質２
５がエンジン吸気管３等を介して直接圧縮室２に供給さ
れる。

【００４１】すなわちガス状の着火抑制物質２５は貯蔵
して添加量を制御することが難しいので、そのまま圧縮
室２に供給され燃焼される。ガス状の着火抑制物質２５
によって着火の抑制効果が底上げされる。

【００４２】着火の抑制効果が底上げされた後の残りの
抑制分は、液状のアルデヒド類２６の供給量を制御する
ことで補われる。

【００４３】また本発明を具体的に説明すれば、図５に
示すように、燃料の炭化水素（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨ
3）が、部分酸化反応により着火抑制物質としてのアル
デヒド類（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨＯ）と水（Ｈ2Ｏ）に
なる。そしてこの反応で得られた水（Ｈ2Ｏ）にアルデ
ヒド類（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨＯ）が溶解されることで
着火抑制物質が液状にして貯蔵される。

【００４４】そして図１、図４に示すように液状のアル
デヒド類２６と未改質の燃料とがそれぞれ異なる供給管
（１８、１９）、２１を経由してエンジン１の圧縮室２
に供給される。

【００４５】ここで液状のアルデヒド類２６は水が主成
分であり、未改質燃料は油が主成分である。したがって
これら水と油を混合してこれらの混合比が所定の割合と
なるように調整して圧縮室２に供給することは技術的に
難しい。本発明によればこれら液状のアルデヒド類２６
（水）と未改質燃料（油）を分離して圧縮室２に供給す
るようにしたので、容易に両者の割合を調整して圧縮室
２に供給することが可能となる。

【００４６】また本発明を具体的に説明すれば、図１、
図６に示すように、着火時期検出手段４、５によって着
火時期Ｔcrが検出される（図６のステップ１０４）。

【００４７】そして供給手段１８、１７、１９、７によ
って所望の着火時期Ｔciと検出された着火時期Ｔcrとの
偏差がなくなるに必要な量の液状の着火抑制物質２６
が、未改質の燃料とともにエンジン１の圧縮室２内に供
給される（図６のステップ１０５〜１０７）。

【００４８】この結果本発明によれば精度よく所望の着
火時期に燃料を自己着火させることができる。

【００４９】また本発明を具体的に説明すれば、図７に
示すように、供給手段１８′、２２、２３、６によって
所望の着火時期に燃料が着火するに十分な量の液状の着
火抑制物質２６が、未改質の燃料とともにエンジン１の
圧縮室２内に供給される。ここで「所望の着火時期に燃
料が着火するに十分な量」とは、所望の着火時期以降に
自己着火が発生する程度の量のことである。

【００５０】そして、図７、図８に示すように、点火手
段３６によって、所望の着火時期になったときに圧縮室
２内の混合気が点火される（図８のステップ２０５）。

【００５１】この結果本発明によれば所望の着火時期に
燃料を確実に着火（点火）させることができる。

【００５２】第３発明は、上記第１発明の装置の発明を
方法の発明に置換したものである。

【００５３】なお本発明が適用されるエンジンは、引火
点の低い燃料を使用し圧縮熱によって燃料を着火させる
ディーゼルエンジンに限らず、引火点の高い燃料を使用
し火花点火により燃料を着火させるガソリンエンジンに
も適用可能である。要は、圧縮の過程で早期自着火が起
こり得るエンジンに適用することができる。

【００５４】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明に係る
エンジンの着火時期制御装置および方法の実施形態につ
いて説明する。

【００５５】なお本実施形態ではディーゼルエンジンを
想定しているが、ガソリンエンジンに適用することがで
きる。すなわち筒内噴射式ガソリンエンジンなど、エン
ジンの圧縮室内に空気と燃料を供給し、これら空気と燃
料の混合気を圧縮した所望の時期に燃料を着火させて燃
焼を行うエンジンであれば任意に適用可能である。

【００５６】図１は実施形態のエンジンの着火時期制御
装置の構成例を示す。

【００５７】すなわち同図１に示すように、このエンジ
ンの着火時期制御装置は、大きくはエンジン１と、燃料
の一部を改質して着火抑制（改質）物質（アルデヒド
類）を生成する燃料改質器１２と、上記改質された着火
抑制物質を液状にして貯蔵する改質燃料貯蔵容器１４
と、エンジン１の運転状態を監視してその結果に基づき
未改質の燃料の供給流量を制御するとともに改質器コン
トローラ９に改質物質の未改質燃料に対する添加量を指
示する信号を出力するエンジンコントローラ８と、改質
物質の生成量および貯蔵残量を監視してこの監視結果と
エンジンコントローラ８から入力された信号とに基づい
て燃料改質器１２に改質反応を制御する制御信号を出力
するとともに改質物噴射量制御装置１７に改質物質の噴
射量（添加量）を指示する制御信号を出力する改質器コ
ントローラ９と、エンジンコントローラ８から出力され
る制御信号に基づいて未改質の燃料の供給量を制御する
燃料流量制御装置２０と、改質器コントローラ９から出
力される制御信号に基づいて上記液状の改質物質の供給
量を制御する改質物噴射量制御装置１７とから構成され
ている。

【００５８】すなわちエンジン１は、シリンダと、シリ
ンダ内に摺動自在に配設され、シリンダ内を上下に往復
移動するピストンとから構成されている。ピストンの上
部のシリンダ室が圧縮室２を構成する。圧縮室２はピス
トンによって混合気が圧縮される室でもあり、混合気中
の燃料が燃焼する燃焼室でもある。シリンダ内で燃焼さ
れた後の排気ガスは排気管路を介して外気に排出され
る。なお本実施形態ではレシプロエンジンを想定してい
るがロータリエンジンにも適用可能である。

【００５９】エンジン１には空気を供給する吸気管３が
設けられている。この吸気管３を介して圧縮室２内に空
気が供給される。

【００６０】一方燃料タンク１０にはエンジン１の燃料
（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨ3）が貯留されている（図５参
照）。燃料タンク１０内の燃料は燃料フィードポンプ３
３によって吸い込まれ噴射流量制御装置２０に吐出され
る。燃料流量制御装置２０からは所定流量の燃料が燃料
供給配管２１を経由して燃料噴射装置６に送られる。

【００６１】燃料噴射装置６は噴射ノズルを介してエン
ジン１のシリンダ内に燃料を噴射し、燃料を霧化した状
態で供給する。

【００６２】こうして燃料噴射装置６から、上記空気に
対して所定の比率をもって燃料が圧縮室２内に供給され
る。こうして比較的薄い混合気が圧縮室２内で形成され
る。

【００６３】なおこの実施形態では空気と燃料を異なる
供給管路を介してシリンダ内に供給しシリンダ内にて混
合気を形成しているが、シリンダに導入前に空気と燃料
を混合して混合気を形成した後この混合気をシリンダ内
に吸入させてもよい。要するに前述した希薄予混合自着
火方式によって燃焼が行われるのであれば燃料、空気の
供給の仕方は任意である。

【００６４】本実施形態では、改質物噴射装置７から未
改質燃料に対して所定の比率をもって液状の改質物質
（アルデヒド類などの着火抑制物質）が圧縮室２内に供
給される。これについては後述する。

【００６５】エンジン１にはエンジン１のクランクシャ
フトの回転位置（クランク角度）を検出するクランク回
転位置検出センサ４が設けられている。このクランク回
転位置検出センサ４で検出されたクランク角度を示す信
号はエンジンコントローラ８に出力される。エンジンコ
ントローラ８ではクランク回転位置検出センサ４の逐次
の検出値に基づいてエンジン１の実際のエンジンスピー
ド（エンジン回転数）Ｎ（ｒ．ｐ．ｍ）が演算される。

【００６６】エンジン１には圧縮室２内で燃料が着火し
たことを検出する着火検出センサ５が設けられている。
着火検出センサ５としてはたとえば圧縮室２内の圧力波
の特定の周波数成分を検出することでノッキングを検出
するノックセンサを使用することができる。また圧縮室
２内の混合気に存在するイオン電流を検出するイオン電
流センサを使用することができる。この着火検出センサ
５から着火されたことを示す着火検出信号がエンジンコ
ントローラ８に出力される。

【００６７】エンジンコントローラ８は各センサ５、４
から入力された着火検出信号とクランク角度検出信号を
読み込み、これらから圧縮室２で燃料が実際に着火され
たときのクランク角度つまり実着火時期Ｔcrを算出す
る。

【００６８】燃料タンク１０内の燃料は燃料フィードポ
ンプ３３によって吸い込まれ燃料改質器１２に吐出され
る。

【００６９】燃料改質器１２を中心とした改質反応器４
０は図４に示すように構成されている。

【００７０】すなわち同図４に示すように改質反応器４
０は燃料改質器１２と分離器１３とを一体にしたタンク
を中心にして構成されている。

【００７１】燃料フィードポンプ３３から燃料が配管３
４を介して改質反応器４０の燃料改質器１２に供給され
る。配管３４にはレギュレータバルブ３１およびストッ
プバルブ３２が配設されている。レギュレータバルブ３
１は配管３４内の燃圧を一定圧にするために設けられて
いる。またストップバルブ３２は後述する再生操作を行
う際に閉じられるバルブである。

【００７２】こうして再生操作時以外は基本的には一定
流量の燃料が燃料改質器１２に送られる。

【００７３】また燃料を酸化するために燃料改質器１２
に空気が導入される。空気圧力源１１としてエンジン１
に付設されているコンプレッサやターボ過給器のブース
ト圧を利用することができる。空気圧力源１１で発生し
た高圧の空気は配管３０を介して燃料改質器１２に供給
される。配管３０には電磁比例制御バルブ２９が設けら
れている。

【００７４】燃料改質器１２に導入された燃料と空気は
ヒータ３５によって加熱昇温され触媒層２４に供給され
る。触媒層２４における改質触媒としては燃料炭化水素
からアルデヒド類を部分酸化によって生成することがで
きる触媒が用いられる。具体的には、アルミとホウ素の
複酸化物を用いることができる。触媒はペレット状に配
置されている。なお振動が加えられる場合には多孔質セ
ラミックあるいはハニカム体に担持させてもよい。触媒
層２４には触媒の温度を検出する触媒温度センサ２８が
設けられている。触媒温度センサ２８の検出信号は改質
器コントローラ９に出力される。

【００７５】改質器コントローラ９は、触媒温度を示す
検出信号をフィードバック信号として触媒温度が所望の
温度となるように電磁比例制御バルブ２９に対して指令
電流を送出する。このため指令電流に応じた開度となる
ように電磁バルブ２９が付勢されバルブ開度が変化され
る。この結果燃料改質器１２に供給される空気流量が変
化され、触媒温度が所望の温度となり燃料改質器１２に
おける改質反応（酸化反応）が制御される。たとえば空
気流量が大きくなることで酸化反応が促進され触媒温度
が大きくなる。あるいは後述するように再生操作が制御
される。

【００７６】触媒層２４の後段には改質により得られた
着火抑制物質を液状生成物２６とガス状生成物２５とに
気液分離する分離器１３が設けられている。本実施形態
では、燃料改質器１２と分離器１３とを一体に形成して
いるが、これらを別体に設けるように構成してもよい。

【００７７】分離器１３で分離されたガス状生成物２５
は貯蔵することが難しいため、貯蔵されることなくその
ままガス状生成物配管（低沸点成分供給配管）１６を経
由してエンジン１の吸気管３へ供給され圧縮室２内で燃
焼される。

【００７８】一方貯蔵が容易な液状生成物２６は液状生
成物配管２７を経由して改質燃料貯蔵容器（タンク）１
４に供給されこの改質燃料貯蔵容器１４で液状生成物２
６が一旦貯蔵される。改質燃料貯蔵容器１４内の貯蔵残
量はセンサ１５で検出されその検出信号が改質器コント
ローラ９に送られる。改質器コントローラ９はセンサ１
５の検出信号をフィードバック信号として貯蔵容器１４
内の貯蔵量が所望量に維持されるように燃料改質器１２
の電磁比例制御バルブ２９に対して制御信号を出力す
る。

【００７９】エンジンコントローラ８は、後述するよう
にエンジン１の運転条件に応じて、所望する目標着火時
期（上死点付近）に燃料が着火するために必要な液状着
火抑制物質２６の未改質燃料に対する添加量を求める。
そして改質器コントローラ９は、この添加量の液状着火
抑制物質２６がエンジン１の圧縮室２内に供給されるよ
うに改質物噴射量制御装置１７に対して噴射量制御信号
を出力する。このため必要な添加量の液状着火抑制物質
２６が配管１８、改質物噴射量制御装置１７、配管１
９、改質物噴射装置７を介してエンジン１の圧縮室２内
に供給される。

【００８０】すなわち本実施形態では着火時期の制御
は、液状の着火抑制物質２６の未改質燃料に対する添加
量を制御することによって行われる。

【００８１】ガス状の着火抑制物質２５については制御
なしでそのままエンジン１の圧縮室２に供給される。こ
こでエンジン始動時などエンジン１の燃焼が安定しない
時期にガス状の着火抑制物質２５が圧縮室２内にそのま
ま添加されたとすると始動不良を招き望ましくない。

【００８２】しかしエンジン１の始動時には燃料改質器
１２で改質操作が行われないためガス状着火抑制物質２
５は圧縮室２に供給されることはなく始動不良になると
いう事態は発生しない。

【００８３】以下図５を参照して燃料改質器１２、分離
器１３で行われる反応について説明する。

【００８４】同図５に示すように、燃料改質器１２で
は、燃料の炭化水素（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨ3）が、部
分酸化反応により着火抑制物質としてのアルデヒド類
（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨＯ）と水（Ｈ2Ｏ）になる。

【００８５】一般に混合気（燃料）の着火性は混合気
（燃料）を構成する炭化水素の構造によって異なる。一
般的に炭素鎖長の短い炭化水素を多く含む混合気は着火
性が悪く、炭素鎖に分岐を持つものや芳香族炭化水素も
着火性が悪い。

【００８６】とりわけアルデヒド類は混合気（燃料）の
着火時期を遅らせる効果があり、その中でもホルムアル
デヒド（ＨＣＨＯ）はその効果が高い。本実施形態によ
れば燃料の炭化水素から着火抑制効果の高いアルデヒド
類を改質によって取得することができる。

【００８７】そして分離器１３では、改質生成物が冷却
され上記改質反応で得られた水（Ｈ2Ｏ）が凝結され
る。そしてガス状のアルデヒド類（ＣＨ3−ＣnＨ2n−Ｃ
ＨＯ）がこの凝結水に溶解されることで液状のアルデヒ
ド類２６とガス状の生成物２５とに分離される。ここで
ガス状の生成物２５とは図５に示すように副反応で得ら
れたクラッキング生成物等のことであり分子量が小さい
ため着火抑制効果を備えている。

【００８８】そして改質物貯蔵容器（タンク）１４で
は、上記反応で得られた水（Ｈ2Ｏ）にアルデヒド類
（ＣＨ3−ＣnＨ2n−ＣＨＯ）が溶解された状態でつまり
液状の着火抑制物質２６となって貯蔵されることにな
る。

【００８９】ここでアルデヒド類とりわけ着火抑制効果
の大きなホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）は水（Ｈ2Ｏ）
に溶解し易い。よって部分酸化反応によって生成された
水蒸気を凝結させて液体にして、これにアルデヒド類を
溶かすようにすれば、容易に液状の着火抑制物質を取得
することができる。したがって気液分離器１３における
温度は水の露点以下であることが必要である。溶解度を
考慮すればできる限り冷却することが望ましい。たとえ
ば分離器１３の温度は５０゜Ｃ以下に設定される。

【００９０】このように本実施形態では着火抑制物質を
液状にして貯蔵するようにしている。このため安定して
着火抑制物質の添加量の制御を行うことができる。また
液状であるので本来の燃料（液体）と同様にして供給量
の制御系を、既存の燃料噴射装置７等を用いて簡易な構
造で容易に実現することができる。また低コストで装置
を構築することができる。また液状であるので着火抑制
物質の組成が変動した場合にも対処することができる。

【００９１】この結果、着火抑制物質をエンジン１の運
転条件に応じた必要な量だけエンジン１に供給できるこ
とが可能となり目標着火時期に燃料が着火する。これに
より希薄予混合自着火方式における早期自着火が防止さ
れる。

【００９２】また本実施形態では液状のアルデヒド類２
６以外に着火抑制効果を有するガス状生成物２５を、吸
気管３を介して直接圧縮室２に供給するようにしてい
る。

【００９３】このようにガス状の着火抑制物質２５は貯
蔵して添加量を制御することが難しいので、そのまま圧
縮室２に供給され燃焼される。これにより着火の抑制効
果が底上げされる。そして着火の抑制効果が底上げされ
た後の残りの抑制分は、液状のアルデヒド類２６の供給
量を制御することで補われる。

【００９４】また図１に示すように本実施形態では、液
状のアルデヒド類２６と未改質の燃料とをそれぞれ異な
る供給配管（１８、１９）、２１を経由させて別経路で
エンジン１の圧縮室２に供給させるように構成されてい
る。

【００９５】ここで液状のアルデヒド類２６は水が主成
分であり、未改質燃料は油が主成分である。したがって
これら水と油を混合してこれらの混合比が所定の割合と
なるように調整して圧縮室２に供給することは技術的に
難しい。本実施形態によればこれら液状のアルデヒド類
２６（水）と未改質燃料（油）とを分離して圧縮室２に
供給するようにしたので、容易に両者の割合を調整して
圧縮室２に供給することが可能となる。

【００９６】以下図１に示すエンジンコントローラ８お
よび改質器コントローラ９で行われる着火制御の処理内
容について図６に示すフローチャートを併せ参照しつつ
説明する。

【００９７】まずエンジンコントローラ８では、クラン
ク位置検出センサ４から出力される検出クランク角度信
号に基づいてエンジンスピードＮが算出される。またエ
ンジンコントローラ８からは燃料流量制御装置２０に対
して燃料噴射量を指示する制御信号を出力している。よ
って現在の燃料噴射量（平均有効圧Ｐ（ｋｇ/ｃｍ2））
を取得することができる（ステップ１０１）。

【００９８】つぎにこうして取得されたエンジン１の現
在の運転条件（エンジンスピードＮ、平均有効圧Ｐ）に
対応する目標着火時期Ｔciが算出される。具体的には図
９に示すように運転条件に対応する目標着火時期Ｔciを
求めるマップが予め用意されており、このマップから目
標着火時期Ｔciが読み取られる。なお図９に示す内容を
データテーブルの形式で記憶させるようにしてもよく、
また運転条件から目標着火時期Ｔciを演算する演算式を
記憶させるようにしておいてもよい。

【００９９】図９において横軸はエンジンスピードＮで
あり縦軸は平均有効圧Ｐ（燃料噴射量）を示している。
Ｔはエンジン１のトルクを示すトルクカーブである。各
ラインａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６、ａ７はそ
れぞれ目標着火時期Ｔciとして同じ値であることを示す
ラインである。ａ１が着火時期として最も遅くなるライ
ンであり、ａ１からａ２へ、ａ２からａ３へ、ａ３から
ａ４へ、ａ４からａ５へ、ａ５からａ６へ、ａ６からａ
７へ移行するほど着火時期として早くなる。そしてａ７
が着火時期として最も早くなるラインである。

【０１００】よってエンジンスピードＮ、平均有効圧Ｐ
に対応するラインａを読み取ることで目標着火時期Ｔci
が求められる（ステップ１０２）。

【０１０１】つぎにエンジンコントローラ８は着火検出
センサ５、クランク位置検出センサ４から入力された着
火検出信号とクランク角度検出信号を読み込み（ステッ
プ１０３）、これら検出信号から圧縮室２で燃料が実際
に着火されたときのクランク角度つまり実着火時期Ｔcr
を算出する（ステップ１０４）。

【０１０２】つぎにステップ１０２で得られた目標着火
時期Ｔciとステップ１０４で得られた実着火時期Ｔcrと
の偏差が算出され（ステップ１０５）、目標着火時期Ｔ
ciと実着火時期Ｔcrとの偏差がなくなるに必要な液状着
火抑制物質２６の添加量つまり目標着火時期Ｔciで自己
着火するに必要な液状着火抑制物質２６の添加量が演算
される（ステップ１０６）。

【０１０３】エンジンコントローラ８から改質器コント
ローラ９に対して、上記演算された液状着火抑制物質２
６の未改質燃料に対する添加量を指示する信号が出力さ
れる。これに応じて改質器コントローラ９は上記添加量
分の液状着火抑制物質２６がエンジン１の圧縮室２内に
供給されるように改質物噴射量制御装置１７に対して制
御信号を出力する。このため貯蔵容器１４から配管１
８、１９を介して上記演算された添加量の液状着火抑制
物質２６がエンジン１の圧縮室２内に供給される。この
結果エンジン１の圧縮室２内で精度よく目標着火時期Ｔ
ciに燃料が自己着火する。

【０１０４】ところで図５に示すように改質反応にはさ
まざまな副反応がある。副反応のひとつに重合によるコ
ーキングがある。コーキングが発生すると、図４に示す
改質反応器４０内の改質触媒２４の表面に炭素分が析出
してしまい触媒の機能が損なわれ改質反応が良好に行わ
れなくなる。そこで触媒表面に付着したコーキング炭素
分を燃焼させることによって触媒表面から消失させると
いう改質触媒の再生操作が必要となる。

【０１０５】改質器コントローラ９ではかかる再生操作
が行われる。

【０１０６】改質器コントローラ９では、エンジンコン
トローラ８から送出されてくるエンジン運転条件（エン
ジンスピードＮ、燃料噴射量）と、改質物質２６の未改
質燃料に対する添加量と、センサ１５で検出される貯蔵
容器１４内の改質物質２６の残量とに基づいて、再生操
作を行うか否かが判断される。

【０１０７】再生操作を行うと判断された場合には、図
４に示すように燃料供給配管３４上のストップバルブ３
２を閉状態にするための制御信号が当該ストップバルブ
３２に出力される。これにより燃料改質器１２に対する
燃料の供給が停止される。

【０１０８】一方でヒータ３５で発生する熱量を増加さ
せるように改質器コントローラ９はヒータ３５に投入す
る電力を制御する。

【０１０９】この結果空気供給配管３０を介して燃料改
質器１２に導入される空気が加熱され、この加熱された
空気が触媒層２４に向け上昇する。そしてこの加熱空気
によって触媒表面のコーキング炭素分が焼き切られ消失
される。

【０１１０】以上の再生操作の内容である。

【０１１１】なお再生操作は触媒の熱劣化を避けつつコ
ーキング炭素分を焼き切るように行うことが望ましい。
なおまた再生操作はエンジン１の始動時に定期的に行う
ようにしてもよい。

【０１１２】図１に示す構成に対しては種々の変形が可
能である。以下図１と同一の符号については同一の要素
であるとしてそれらについての重複した説明は省略す
る。図１の実施形態と異なる部分についてのみ説明す
る。

【０１１３】図１の代わりに図２に示すように構成して
もよい。

【０１１４】図２に示す着火時期制御装置では、図１で
エンジン１の圧縮室２に配設されていた改質物噴射量装
置７が、エンジン１の吸気管３に配設される。

【０１１５】すなわち液状改質物質２６が改質物噴射量
制御装置１７から配管１９′を介して吸気管３に設けら
れた改質物噴射装置７′に供給され改質物質２６が吸気
管３内に噴射される。そして吸気管３を経由して改質物
質２６が圧縮室２内に供給される。

【０１１６】この図２に示す実施形態によれば、改質物
噴射装置７′を、高圧となる圧縮室２ではなくて低圧と
なる吸気管３に設けるようにしたので、低圧用の安価な
噴射装置を使用することが可能となる。

【０１１７】また図１の代わりに図３に示すように構成
してもよい。

【０１１８】図１に示す着火時期制御装置では、液状の
アルデヒド類２６と未改質の燃料とをそれぞれ異なる供
給配管（１８、１９）、２１を経由させて別経路でエン
ジン１の圧縮室２に供給させるように構成されていたの
に対して、図３に示す着火時期制御装置では、液状のア
ルデヒド類２６と未改質の燃料とを同一の供給配管２３
でエンジン１の圧縮室２に供給させるように構成されて
いる。

【０１１９】すなわち液状改質物質２６は貯蔵容器１４
から配管１８′を介して混合器２２に送られる。一方未
改質の燃料は燃料流量制御装置２０から燃料供給配管２
１′を介して混合器２２に送られる。混合器２２では、
液状改質物質２６と未改質燃料とが所定の割合で混合さ
れる。この混合割合は、混合器２２に付設された調量弁
２２ａにより調整される。目標着火時期Ｔciに着火する
に必要な混合割合（改質物質の添加量）が求められ、改
質器コントローラ９は調量弁２２ａに対してこの混合割
合で混合させるための制御信号を出力する。

【０１２０】こうして混合気２２からは所定の割合で混
合された液状改質物質２６と未改質燃料が出力され配管
２３を介して燃料噴射装置６に供給され燃料噴射装置６
により圧縮室２内に噴射される。

【０１２１】この図３に示す実施形態によれば、液状改
質物質２６と未改質燃料とを所定の割合で混合して同一
の燃料噴射装置６により圧縮室２内に供給するようにし
ているので、液状改質物質２６専用の噴射装置７（図
１）の配設を省略することができる。

【０１２２】上述した実施形態では自己着火により目標
着火時期に混合気（燃料）を着火させるようにしている
が、つぎに自己着火ではなく点火により目標着火時期に
確実に着火させることができる実施形態について説明す
る。

【０１２３】図７は着火補助装置（点火プラグなど）３
６を用いて点火により着火を補助する実施形態を示して
いる。

【０１２４】図７の装置構成は、基本的には図３に示す
実施形態と同じである。ただし着火検出センサ５の配設
が省略される。また圧縮室２に着火補助装置３６たとえ
ば点火プラグ３６が配設される。エンジンコントローラ
８から着火信号が点火プラグ３６に出力され、これに応
じて点火プラグ３６の電極間で火花が発生し、圧縮室２
内の混合気が点火される。

【０１２５】以下図７に示すエンジンコントローラ８お
よび改質器コントローラ９で行われる着火制御の処理内
容について図８に示すフローチャートを併せ参照しつつ
説明する。

【０１２６】まずエンジンコントローラ８では、クラン
ク位置検出センサ４から出力されるクランク角度検出信
号に基づいてエンジンスピードＮが算出される。またエ
ンジンコントローラ８からは燃料流量制御装置２０に対
して燃料噴射量を指示する制御信号を出力している。よ
って現在の燃料噴射量（平均有効圧Ｐ（ｋｇ/ｃｍ2））
を取得することができる（ステップ２０１）。

【０１２７】つぎにこうして取得されたエンジン１の現
在の運転条件（エンジンスピードＮ、平均有効圧Ｐ）に
対応する改質物質２６の目標添加量（着火抑制改質物質
２６の未改質燃料に対する混合割合）および目標着火時
期Ｔciが算出される。目標着火時期Ｔciの算出方法は図
９で説明したのと同様であるので説明は省略する。

【０１２８】ここで「目標添加量」とは目標着火時期Ｔ
ciに燃料が着火するに十分な量のことである。「目標着
火時期Ｔciに燃料が着火するに十分な量」とは、目標着
火時期Ｔci以降に自己着火が発生する程度の量のことで
ある。つまり本実施形態では目標着火時期Ｔci以降に自
己着火が起きるように着火を完全に抑制している。

【０１２９】改質物質２６の目標添加量の算出方法はつ
ぎのとおりである。

【０１３０】すなわち図１０に示すように図９と同様に
運転条件に対応する目標添加量を求めるマップが予め用
意されており、このマップから目標添加量が読み取られ
る。なお図１０に示す内容をデータテーブルの形式で記
憶させるようにしてもよく、また運転条件から目標添加
量を演算する演算式を記憶させるようにしておいてもよ
い。

【０１３１】図１０において横軸はエンジンスピードＮ
であり縦軸は平均有効圧Ｐ（燃料噴射量）を示してい
る。Ｔはエンジン１のトルクを示すトルクカーブであ
る。各ラインｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｂ５、ｂ６はそ
れぞれ目標添加量として同じ値であることを示すライン
である。ｂ１が目標添加量として最も少なくなるライン
であり、ｂ１からｂ２へ、ｂ２からｂ３へ、ｂ３からｂ
４へ、ｂ４からｂ５へ、ｂ５からｂ６へ移行する目標添
加量として多くなる。そしてｂ６が目標添加量として最
も多くなるラインである。

【０１３２】よってエンジンスピードＮ、平均有効圧Ｐ
に対応するラインｂを読み取ることで目標添加量が求め
られる（ステップ２０２）。

【０１３３】つぎにエンジンコントローラ８から改質器
コントローラ９に対して、上記求められた液状着火抑制
改質物質２６の未改質燃料に対する目標添加量を指示す
る信号が出力される。これに応じて改質器コントローラ
９は上記目標添加量の液状着火抑制改質物質２６がエン
ジン１の圧縮室２内に供給されるように混合気２２の調
量弁２２ａに対して制御信号を出力する。このため混合
気２２から配管２３、燃料噴射装置６を介して上記求め
られた目標添加量の着火抑制物質２６がエンジン１の圧
縮室２内に供給される（ステップ２０３）。

【０１３４】つぎにエンジンコントローラ８はクランク
位置検出センサ４から入力されたクランク角度検出信号
を読み込み（ステップ２０４）、この検出されたクラン
ク角度と上記ステップ２０２で取得された目標着火時期
Ｔci（目標クランク角度）とを逐次比較する。

【０１３５】そして現在のクランク角度が目標着火時期
Ｔci（目標クランク角度）に到達した時点で、エンジン
コントローラ８は点火プラグ３６に対して着火信号を出
力する。これに応じて点火プラグ３６の電極間で火花が
発生し、圧縮室２内の混合気が点火される。この結果混
合気（燃料）は目標着火時期Ｔciで早期自己着火するこ
となく確実に着火される。

【０１３６】なおエンジン１の最適な着火時期は、エン
ジンの回転数、燃料噴射量だけではなくて、冷却水温
度、吸入空気温度、吸入空気圧力などのパラメータによ
っても変化する。そこでこれらのパラメータをさらに考
慮して目標着火時期を定めることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は実施形態の構成例を示す図である。

【図２】図２は図１の構成の変形例を示す図である。

【図３】図３は図１の構成の変形例を示す図である。

【図４】図４は改質反応器の構成例を示す図である。

【図５】図５は実施形態の主要な改質反応を説明する図
である。

【図６】図６は図１に示す装置で行われる着火制御の手
順を示す図である。

【図７】図７は図３の構成の変形例を示す図である。

【図８】図８は図７に示す装置で行われる着火制御の手
順を示す図である。

【図９】図９は目標着火時期を求めるマップを示す図で
ある。

【図１０】図１０は着火抑制改質物質の未改質燃料に対
する目標添加量（供給割合）を求めるマップを示す図で
ある。

【符号の説明】

１ エンジン ２ 圧縮室 ６ 燃料噴射装置 ７ 改質物噴射装置 ８ エンジンコントローラ ９ 改質器コントローラ １２ 燃料改質器 １３ 分離器 １４ 改質燃料貯蔵容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 室谷 泰輔 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 Ｆターム(参考） 3G022 AA00 AA01 FA00 FA06 GA00 GA01 GA05 GA07 GA09 GA11 GA13 3G092 AA01 AA02 AA06 AB15 BA08 FA00 HA05Z HC05Z HE01Z HE03Z HE08Z

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの圧縮室内に空気と燃料を
   供給し、これら空気と燃料の混合気を圧縮した所望の着
   火時期に前記燃料を着火させて燃焼を行うエンジンの着
   火時期を制御するエンジンの着火時期制御装置におい
   て、 前記燃料の一部を着火抑制物質に改質する改質手段と、 前記改質された着火抑制物質を液状にして貯蔵する貯蔵
   手段と、 前記所望の着火時期に燃料が着火するために必要な量の
   液状の着火抑制物質を、未改質の燃料とともに前記圧縮
   室内に供給する供給手段とを具えたエンジンの着火時期
   制御装置。
2. 【請求項２】 前記改質手段は、燃料の炭化水素を、
   部分酸化することによって着火抑制物質としてのアルデ
   ヒド類と水を生成するものであり、 前記貯蔵手段は、前記改質手段で得られた水に前記アル
   デヒド類を溶解させることで着火抑制物質を液状にして
   貯蔵するものである請求項１記載のエンジンの着火時期
   制御装置。
3. 【請求項３】 エンジンの圧縮室内に空気と燃料を
   供給し、これら空気と燃料の混合気を圧縮した所望の着
   火時期に前記燃料を着火させて燃焼を行うエンジンの着
   火時期を制御するエンジンの着火時期制御方法におい
   て、 前記燃料の一部を着火抑制物質に改質する改質行程と、 前記改質された着火抑制物質を液状にして貯蔵する貯蔵
   行程と、 前記所望の着火時期に燃料が着火するために必要な量の
   液状の着火抑制物質を、未改質の燃料とともに前記圧縮
   室内に供給する供給行程とを具えたエンジンの着火時期
   制御方法。