(57)【要約】      （修正有）【課題】機関負荷に応じて燃焼重心時期と燃焼期間とを適切に変化させることで、急峻燃焼による燃焼騒音を抑制しつつ機関の熱効率の向上を図る。【解決手段】燃焼室の上部中心に２つの燃料噴射弁を配置する。噴射時期を２回に分けることでオクタン価の異なる混合気を筒内に分布させ、各噴射時期での噴射比率を調整することで個々の混合気のオクタン価を調整する。所定負荷ＳＬ未満の低−中負荷域では、機関負荷の増加に応じて、平均オクタン価ａｖｅＲＯＮを高くしつつオクタン価幅ΔＲＯＮを拡大することで、燃焼重心時期をほぼ一定に維持し、熱効率の低下を抑制する。所定負荷ＳＬ以上の中−高負荷域では、機関負荷の増加に応じて平均オクタン価ａｖｅＲＯＮを高くしつつオクタン価幅ΔＲＯＮを縮小することで、燃焼期間をほぼ一定に維持し、熱効率の低下を抑制する。【選択図】図３
2010203304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オクタン価の異なる２種以上の燃料を筒内に供給し、圧縮自己着火させる圧縮自己着火式内燃機関の制御装置において、
機関運転条件に応じて、筒内に分布する燃料の平均オクタン価と、筒内に分布する燃料のオクタン価幅と、を制御することによって、燃焼重心時期と燃焼期間とを制御することを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
第１の運転条件範囲では、上記燃焼重心時期を一定に維持するように、機関負荷の増加に応じて、上記燃焼期間を拡大することを特徴とする請求項１に記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
第１の運転条件範囲では、機関負荷の増加に応じて、上記平均オクタン価を高くしつつ、上記オクタン価幅を拡大することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
第２の運転条件範囲では、上記燃焼期間を一定に維持するように、機関負荷の増加に応じて、上記燃焼重心時期を遅角することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項５】
第２の運転条件範囲では、機関負荷の増加に応じて、上記平均オクタン価を高くしつつ、上記オクタン価幅を縮小することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項６】
第１の運転条件範囲においては、機関負荷の増加に応じて、上記平均オクタン価を高くしつつ、上記オクタン価幅を拡大し、
第２の運転条件範囲においては、機関負荷の増加に応じて、上記平均オクタン価を高くしつつ、上記オクタン価幅を縮小し、かつ、上記平均オクタン価の上昇率を上記第１の運転条件範囲よりも小さくすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項７】
第１の運転条件範囲と第２の運転条件範囲とで、機関負荷の変化に対する上記平均オクタン価の変化率と上記オクタン価幅の変化率の少なくとも一方を異ならせることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項８】
上記第１の運転条件範囲が、機関負荷が所定負荷未満の低−中負荷域であり、
上記第２の運転条件範囲が、機関負荷が上記所定負荷以上の中−高負荷域であることを特徴とする請求項６又は７に記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項９】
オクタン価を筒内で連続的に変化させるとともに、オクタン価が高くなるほど、その分布割合を高くすることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
筒内全体に混合気を分布させるとともに、機関負荷の増加に応じて上記混合気の当量比を高くする場合、機関負荷の増加に応じて、上記混合気内に分布する燃料の最小オクタン価及び最高オクタン価の双方をそれぞれ高くすることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
機関負荷の増加に応じて、混合気の当量比をほぼ一定に維持しつつ、上記混合気が分布する領域を拡大する場合、第１の運転条件範囲においては、機関負荷の増加に応じて、上記混合気内に分布する燃料の最高オクタン価を高くする一方、上記混合気内に分布する燃料の最小オクタン価を低くすることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
筒内全体に混合気を分布させるとともに、機関負荷の増加に応じて上記混合気の当量比を低くする場合、第１の運転条件範囲においては、機関負荷の増加に応じて、上記混合気内に分布する燃料の最高オクタン価を高くする一方、上記混合気内に分布する燃料の最小オクタン価を低くすることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
オクタン価の低い燃料の混合気と、オクタン価の高い燃料の混合気と、を筒内の異なる領域にそれぞれ分布させる混合気成層化手段と、
各々の混合気の燃料のオクタン価を調整するオクタン価調整手段と、
を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【請求項１４】
低オクタン価燃料と高オクタン価燃料をそれぞれ筒内に直接噴射する２本の燃料噴射弁を有し、
上記混合気成層化手段は、吸気行程又は圧縮行程の前半の予備噴射時期に燃料を噴射するとともに、圧縮行程後半のメイン噴射時期に燃料を噴射し、
上記オクタン価調整手段は、各々の噴射時期で、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料の噴射比率を制御することを特徴とする請求項１３に記載の圧縮自己着火式内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、オクタン価の異なる２種以上の燃料をそれぞれ筒内に供給して圧縮自己着火燃焼を行う圧縮自己着火式内燃機関の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とを筒内に個々に噴射するようにした内燃機関が開示されている。ここでは、２つの燃料噴射弁からオクタン価の異なる燃料を両者が実質的に重ならないように噴射することで、燃料濃度が均質でかつオクタン価分布のある混合気場を形成するようにしており、これによって広い運転領域で圧縮着火燃焼の実現を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３９９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、２つの燃料を別個に分布させることができる反面、中間のオクタン価となる混合した燃料分布を形成できないため、適用可能な運転領域が限定されてしまう。すなわち、特許文献１では、負荷の増加に伴って、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料の供給割合を、低オクタン価燃料が少なくなるように制御する旨開示されているが、２つの燃料が混合せずに負荷の増加とともに高オクタン価燃料の量を増加させた場合、低オクタン価燃料によって着火した高オクタン価燃料が一斉に発火するため、燃焼後半が急峻燃焼になって燃焼騒音が過大となり、あるいは燃焼が良好に移行せず、未燃燃料の排出量が増大する。また、負荷の増加に対し低オクタン価燃料が過度に増加すると、低オクタン価燃料が一斉に発火し、燃焼の前半が急峻な燃焼となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで本発明は、オクタン価の異なる２種以上の燃料を筒内に供給し、圧縮自己着火させる圧縮自己着火式内燃機関の制御装置において、機関運転条件に応じて、筒内に分布する燃料の平均オクタン価と、筒内に分布する燃料のオクタン価幅と、を制御することによって、燃焼重心時期と燃焼期間とを制御するようにした。
【０００６】
『平均オクタン価』とは、筒内に供給される燃料のオクタン価の平均値であり、例えば低オクタン価燃料と高オクタン価燃料の噴射比率に相当する値である。『オクタン価幅』とは、筒内に分布する混合気中の燃料のオクタン価の中で、最高のオクタン価と最低のオクタン価との差であり、例えば筒内にオクタン価の異なる２つの混合気を分布させる場合、両混合気の燃料のオクタン価の差に相当する。『燃焼重心時期』とは、燃焼による熱発生量が総熱発生量の５０％となる時期（クランク角）であり、熱発生量は熱発生率（単位クランク角での熱発生量）の積算値に相当する。
【０００７】
例えば低負荷側の運転条件範囲においては、燃焼重心時期を圧縮上死点近傍の所定時期に維持することが機関の熱効率の点から望ましい。但し、燃焼重心時期をほぼ一定に維持しつつ負荷の増加に伴って平均オクタン価のみを上昇させると、急峻な燃焼により燃焼騒音を生じるおそれがある。そこで、機関負荷の増加つまり燃料噴射量の増加に伴って、燃焼期間を拡大することで、急峻な燃焼による燃焼騒音の発生を抑制しつつ、燃焼重心時期をほぼ一定に維持することで、熱効率を向上することができる。
【０００８】
高負荷側の運転条件範囲では、燃焼重心時期をほぼ一定に維持したまま、機関負荷の増加に応じて平均オクタン価を高くして燃料噴射量を増量していくと、筒内圧が限界を超えるおそれがある。一方、筒内圧を抑えるために機関負荷の増加に伴って燃焼期間を大きくすると、燃焼期間が過大となって機関の熱効率が低下する。そこで、高負荷側の運転条件範囲では、機関負荷の増加に応じて、上記燃焼重心時期を遅角することで、筒内圧の過度な上昇を抑えつつ、燃焼期間をほぼ一定に維持することで、機関の熱効率の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、筒内に分布する燃料の平均オクタン価とオクタン価幅とを制御することで、急峻燃焼による燃焼騒音を抑制しつつ、機関負荷等の機関運転条件に応じて、燃焼重心時期と燃焼期間とを適切に変化させることで、機関の熱効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例に係る圧縮自己着火式内燃機関の制御装置を示す構成図。
【図２】上記第１実施例に係る燃料オクタン価の異なる２つの混合気分布（Ａ），（Ｂ）、並びに熱発生率の特性（Ｃ）を示す説明図。
【図３】上記第１実施例に係る負荷に応じた平均オクタン価やオクタン価幅等の変化を示す説明図。
【図４】低−中負荷域（Ａ）及び中−高負荷域（Ｂ）における代表的な負荷での熱発生率を示す説明図。
【図５】同じく代表的な負荷での熱発生率を示す説明図。
【図６】本発明の第２実施例に係る負荷に応じた平均オクタン価やオクタン価幅等の変化を示す説明図。
【図７】本発明の第３実施例に係る筒内に形成される混合気の領域を模式的に示す説明図。
【図８】上記第３実施例に係る負荷に応じた平均オクタン価やオクタン価幅等の変化を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、この発明に係る圧縮着火内燃機関の第１実施例を示しており、シリンダヘッド１ａとシリンダブロック１ｂとピストン２とによって燃焼室３が形成されている。この燃焼室３は、吸気弁４を介して吸気ポート６と連通し、かつ排気弁５を介して排気ポート７と連通する。燃焼室３の上面中心部には、２つの燃料噴射弁つまり低オクタン価燃料用燃料噴射弁１７と高オクタン価燃料用燃料噴射弁１８とが並んで配置されている。
【００１２】
低オクタン価燃料噴射弁１７には、低オクタン価燃料タンク１９より低圧燃料ポンプ２１，低圧燃料配管２５Ａ，高圧燃料ポンプ２３，高圧燃料配管２５Ｂを介して低オクタン価燃料が供給される。同様に、高オクタン価燃料噴射弁１８には、低オクタン価燃料タンク２０より低圧燃料ポンプ２２，低圧燃料配管２６Ａ，高圧燃料ポンプ２４，高圧燃料配管２６Ｂを介して高オクタン価燃料が供給される。これらの燃料噴射弁１７，１８に対向して、ピストン２の冠面中央部には、適宜な形状のキャビティ２ａが設けられている。これら２つの燃料噴射弁１７，１８は、いずれも、シリンダ中心軸線を中心とした円錐形の噴霧を形成する。なお、これらの燃料噴射弁１７，１８は、通常は、全体として円錐形の噴霧を形成するマルチホール型燃料噴射弁が用いられるが、必ずしもこれに限定されず、円錐形の噴霧を形成する単噴孔のものであってもよい。
【００１３】
吸気コレクタ８の上流には吸入空気量を調整するスロットル弁９が設けられている。制御部１０は、機関回転数（速度）を検出するクランク角センサ２７，負荷要求に相当するアクセ得開度を検出するアクセル開度センサ１１，機関水温を検出する水温センサ１２，ノッキングを検出するノックセンサ１３等の検出信号に基づいて、スロットル弁のアクチュエータ９ａへ制御信号を出力し、スロットル開度を制御するとともに、燃料噴射弁１７，１８へ制御信号を出力し、各々の燃料噴射時期や噴射量等を制御する。
【００１４】
本実施例のように２本の直噴型燃料噴射弁１７，１８を備える構成においては、燃料噴射時期を、吸気行程又は圧縮行程の前半の予備噴射時期と、圧縮行程後半のメイン噴射時期の少なくとも２回に分けることによって、筒内に燃料のオクタン価が異なる２つの混合気を分布させることができる（混合気成層化手段）。すなわち、図２に示すように、予備噴射時期における燃料噴射によって、筒内に所定オクタン価の均質な混合気Ｆ１を形成する一方、メイン噴射時期における燃料噴射によって、筒内の一部（中央部）に異なるオクタン価の成層混合気Ｆ２を形成することができる。また、個々の噴射時期での低オクタン価燃料と高オクタン価燃料の噴射比率（噴射量の割合）を制御することによって、個々の混合気Ｆ１，Ｆ２の燃料のオクタン価を調整することができる（オクタン価調整手段）。このように燃料オクタン価の分布を意図的に生成することで、図２（Ｃ）の特性Ｌ２に示すように、筒内圧の過度な上昇を抑制しつつ、着火時期や燃焼期間を適正化することが可能となる。例えば負荷の増加に応じて単に筒内の平均オクタン価を上昇させた場合、図２（Ｃ）の破線の特性Ｌ２に示すように、急峻な燃焼となって燃焼騒音が増大するとともに、筒内圧が過大となってしまう。なお、図中の『ＲＯＮ』はオクタン価を意味している。
【００１５】
図３〜図５を参照して、平均オクタン価ａｖｅＲＯＮは、筒内に供給された燃料のオクタン価の平均値（オクタン価に応じた燃料の供給量によって、オクタン価に重み付けを行なった上での平均値）であり、オクタン価幅ΔＲＯＮは、筒内に分布する混合気の燃料のオクタン価の格差、つまり最も高い最高オクタン価ｍａｘＲＯＮと最も低い最低オクタン価ｍｉｎＲＯＮとの差である。燃焼重心時期θ５０は、熱発生量が総熱発生量の５０％となる時期（クランク角）であって、必ずしも燃焼期間θ１０−９０（熱発生量が総熱発生量の１０％になった時のクランク角から、９０％になった時のクランク角までのクランク角範囲）の中央の時期（クランク角）ではない。燃焼期間θ１０−９０は、圧力上昇を伴う燃焼期間に相当し、実際の燃焼開始から終了までの期間θ０−１００よりも適宜に短い期間に設定される。なお、図３において、符号α１は２つの混合気Ｆ１，Ｆ２の燃料の分布割合（燃料量の割合）を示している。また、図４，図５は図３の符号（１）〜（５）に示す代表的な負荷での熱発生率（Ｈ．Ｒ．Ｒ．）の特性を示している。
【００１６】
［１］本実施例においては、機関運転条件に応じて、筒内に分布する燃料の平均オクタン価ａｖｅＲＯＮと、筒内に分布する燃料のオクタン価幅ΔＲＯＮと、を制御することによって、燃焼重心時期θ５０と、燃焼期間θ１０−９０と、を制御する。これによって、後述するように、機関負荷等の機関運転条件に応じて燃焼重心時期と燃焼期間とを適切に変化させることで、急峻燃焼による燃焼騒音を抑制しつつ、機関の熱効率を向上することが可能となる。
【００１７】
［２］所定負荷ＳＬ未満の低−中負荷域（第１の運転条件範囲）では、図４（Ａ）にも示すように、燃焼重心時期θ５０を一定に維持するように、機関負荷の増加に応じて、上記燃焼期間θ１０−９０を拡大する。すなわち、負荷の増加に応じて燃焼期間θ１０−９０を拡大することによって、急峻燃焼を抑えつつ負荷増加に応じて燃料噴射量を増量し、かつ、燃焼重心時期θ５０をほぼ一定に維持することで、燃焼重心時期θ５０の遅角や進角による機関の熱効率の低下を防ぐことができる。
【００１８】
［３］具体的には、図３にも示すように、低−中負荷域では、機関負荷の増加に応じて、平均オクタン価を高くしつつ、オクタン価幅を拡大することで、燃焼期間θ１０−９０を拡大しつつ、燃焼重心時期θ５０をほぼ一定に維持することができる。
【００１９】
［４］所定負荷ＳＬ以上の中−高負荷域（第２の運転条件範囲）では、図５の破線で示すように、燃焼重心時期θ５０をほぼ一定に維持したままの熱発生では（クランク角に対する熱発生率が高くなり過ぎて）、筒内圧が限界を超えるおそれがある。一方、燃焼期間θ１０−９０が過大となると機関の熱効率が低下する。そこで、このような中−高負荷域では、上記燃焼期間θ１０−９０を一定に維持するように、機関負荷の増加に応じて、燃焼重心時期θ５０を遅角する。これによって、筒内圧の過度な上昇を抑えつつ、燃焼期間θ１０−９０をほぼ一定に維持し、機関の熱効率を向上することができる。
【００２０】
［５］具体的には、中−高負荷域では、機関負荷の増加に応じて、平均オクタン価ａｖｅＲＯＮを高くしつつ、上記オクタン価幅ΔＲＯＮを縮小することによって、図５の（４），（５）に示すように、燃焼期間θ１０−９０をほぼ一定に維持しつつ、燃焼重心時期θ５０を遅角させていくことができる。
【００２１】
［６］また、中−高負荷域においては、図３に示すように、負荷の増加に応じて燃焼重心時期θ５０を遅角させつつ燃焼期間θ１０−９０をほぼ一定に維持するように、負荷の増加に応じた平均オクタン価の上昇率を低−中負荷域よりも小さくしている。
【００２２】
［７］このように本実施例では、低−中負荷域と中−高負荷域とで、機関負荷の変化に対する平均オクタン価ａｖｅＲＯＮの変化率とオクタン価幅の変化率とを異ならせることで、全ての負荷域にわたって、図５に示すように熱発生率の特性を適正なものとすることができ、急峻燃焼による燃焼騒音や未燃燃料の排出を抑制しつつ、機関の熱効率の低下を抑制することができる。
【００２３】
［８］上記第１実施例では、図２に示すように、燃料のオクタン価が異なる２つの混合気Ｆ１，Ｆ２を分布させ、両混合気Ｆ１，Ｆ２の燃料の分布割合α１を異ならせているが、図６に示す第２実施例のように、燃料のオクタン価を筒内で連続的に変化させ、オクタン価が高くなるほど、その燃料の分布割合（燃料量の割合）α２を高くするようにしても良い。
【００２４】
［９］筒内全体に混合気を均質に分布させるとともに、機関負荷の増加に応じて上記混合気の当量比を高くする場合、図２に示すように、低−中負荷域では、機関負荷の増加に応じて、筒内に分布する燃料の最小オクタン価ｍｉｎＲＯＮ及び最高オクタン価ｍａｘＲＯＮの双方をそれぞれ高くすることで、燃焼重心時期θ５０をほぼ一定に維持しつつ、燃焼期間θ１０−９０を拡大していくことができる。つまり、当量比が高くなるほど、着火性が高くなり、燃焼開始時期θ１０が進角することから、機関負荷の増加に応じて最小オクタン価ｍｉｎＲＯＮを高くしても、当量比の上昇により燃焼開始時期θ１０を進角させて、燃焼期間θ１０−９０を拡大することができる。
【００２５】
［１０］図７に示す第３実施例では、機関負荷の増加に応じて、混合気Ｆ０の当量比をほぼ一定に維持しつつ、上記混合気Ｆ０が分布する領域を拡大している。この場合、当量比をほぼ一定に維持することから、低−中負荷域において、上記第１実施例と同様、最小オクタン価ｍｉｎＲＯＮを高くすると、燃焼開始時期θ１０が遅角し、燃焼期間θ１０−９０を拡大することができない。そこで、このような場合には、図８に示すように、低−中負荷域においては、機関負荷の増加に応じて最小オクタン価ｍｉｎＲＯＮを低くすることで、上記第１実施例と同様、機関負荷の増加に応じて燃焼開始時期θ１０を進角させて、燃焼期間θ１０−９０を拡大することができる。
【００２６】
［１１］ターボ過給機を備えた構成においては、機関負荷の増加に応じて過給圧が増加するために、筒内全体に混合気を均質に分布させた場合であっても、機関負荷の増加に応じて混合気の当量比が低くなる。従って、低−中負荷域において、上記第１実施例のように、負荷の増加に応じて最小オクタン価ｍｉｎＲＯＮを高くすると、燃焼開始時期θ１０が遅角し、燃焼期間θ１０−９０を拡大することができない。そこで、このような場合には、上記第３実施例と同様、図８に示すように、低−中負荷域においては、負荷の増加に応じて最小オクタン価ｍｉｎＲＯＮを低くすることで、機関負荷の増加に応じて燃焼開始時期θ１０を進角させて、燃焼期間θ１０−９０を拡大することができる。
【００２７】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば吸気ポートに燃料噴射弁を備える構成においては、吸気行程で吸気ポートに燃料を噴射することによって均質混合気Ｆ１を形成するようにしても良い。また、筒内の異なる領域に燃料を噴射する２本の直噴式噴射弁と、それぞれの噴射弁に供給する燃料を改質することによってオクタン価を調整可能な改質器と、を備える構成としても良い。この場合、改質器により適宜に調整されたオクタン価の燃料をそれぞれの噴射弁より筒内の異なる領域に噴射することで、筒内に燃料のオクタン価が異なる２つの混合気を分布させることができる。また、上記機関負荷に代えて、燃料噴射量，最高筒内圧力，最高筒内圧力変化率，あるいは燃焼騒音等に基づいて運転条件範囲を設定したり制御を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００２８】
３…燃焼室
６…吸気ポート
１０…制御部
１７…低オクタン価燃料用燃料噴射弁
１８…高オクタン価燃料用燃料噴射弁
【図１】
2010203304.tif 000003
【図２】
2010203304.tif 000004
【図３】
2010203304.tif 000005
【図４】
2010203304.tif 000006
【図５】
2010203304.tif 000007
【図６】
2010203304.tif 000008
【図７】
2010203304.tif 000009
【図８】
2010203304.tif 000010