(57)【要約】【課題】予混合圧縮着火内燃機関において、急激な燃焼によるノッキングの発生を防止する。【解決手段】燃焼室１０５に燃料を直接噴射する第１燃料噴射弁１１２と、吸気ポート１０４に燃料を噴射する第２燃料噴射弁１１５とを設ける。前記第２燃料噴射弁１１５の下流側の吸気ポート１０４には、燃料を酸化させることでオクタン価を下げて、着火温度を低下させる触媒１１７が介装される。そして、第２燃料噴射弁１１５から噴射された後、触媒１１７を通過することで着火温度が低下した燃料によって、燃焼室１０５の中央に混合気層を形成させる一方、前記中央の混合気層を囲むように、前記第１燃料噴射弁１１２から噴射された燃料によって混合気層を形成させ、中央の混合気層から圧縮自着火に至らしめ、その後、周囲の混合気層を圧縮自着火させる。【選択図】図２
2008069694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
着火温度の異なる複数種の燃料によってそれぞれに形成される混合気が燃焼室内で層をなすことを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項２】
燃焼室内に燃料を直接噴射する第１の燃料噴射弁と、吸気ポート内に燃料を噴射する第２の燃料噴射弁とを備え、前記第１，第２の燃料噴射弁が、相互に着火温度の異なる燃料をそれぞれ噴射することで、前記燃焼室内に着火温度の異なる燃料による２つの混合気層を形成することを特徴とする請求項１記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項３】
燃料改質装置を備え、前記燃料改質装置で改質された燃料と、前記燃料改質装置で改質される前の燃料とを、前記着火温度の異なる複数種の燃料として用いることを特徴とする請求項１又は２記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項４】
前記燃料改質装置が吸気ポート内に設置され、上流側に噴射された燃料を改質することを特徴とする請求項３記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項５】
上流側に噴射された燃料を前記燃料改質装置に導く経路と、上流側に噴射された燃料を、前記燃料改質装置を迂回して燃焼室内に導く経路とを切り換える切り換え手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項６】
前記燃料改質装置で改質された燃料を燃料噴射弁から噴射させることを特徴とする請求項３記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項７】
前記燃料改質装置を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項８】
前記加熱手段が、機関の排気熱で前記燃料改質装置を加熱することを特徴とする請求項７記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項９】
機関回転速度が高いほど、前記加熱手段による加熱量を多くすることを特徴とする請求項７又は８記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項１０】
機関負荷が低いほど、前記加熱手段による加熱量を多くすることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項１１】
機関負荷が低いほど、着火温度の低い燃料の割合を増加させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項１２】
機関回転速度が高いほど、着火温度の低い燃料の割合を増加させることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予混合圧縮着火内燃機関に関し、詳しくは、緩慢燃焼によってノッキングの発生を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、２つの吸気ポートの一方にのみ排気を還流させることで、燃焼室内にＥＧＲ層と空気層とを形成し、前記ＥＧＲ層と空気層との境界領域に燃料を噴射させることで、温度勾配の大きい境界領域から予反応が開始され、以後、温度勾配に従って順次自己着火が温度の低い領域に進んでいくことで、急激な燃焼を回避することが記載されている。
【特許文献１】特開２００１−２１４７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ＥＧＲガスは高温であるため反応促進効果がある一方で、ＥＧＲガスは不活性ガスであるため反応抑制効果を同時に有する。
このため、ＥＧＲ層と空気層との境界領域に燃料を噴射させても、前記温度による反応促進効果が不活性ガスによる反応抑制効果で相殺されてしまい、温度成層による緩慢燃焼の効果を充分に得ることが困難であるという問題があった。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、予混合圧縮着火内燃機関において、急激な燃焼によるノッキングの発生をより確実に防止することができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため、本発明は、予混合圧縮着火内燃機関において、着火温度の異なる複数種の燃料によってそれぞれに形成される混合気が燃焼室内で層をなすようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
上記発明によると、着火温度が低い燃料によって形成される混合気から予反応が開始されて着火し、その後、着火温度が高い燃料によって形成される混合気における燃焼が行われるため、燃焼期間が延長され、ノッキングの発生を防止することができ、予混合圧縮着火を行わせることができる運転領域を高負荷側に拡大することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１及び図２は、第１実施形態における予混合圧縮着火内燃機関を示す。
図に示す内燃機関１０１は、各気筒に２つの吸気バルブ１０２ａ，１０２ｂ及び２つの排気バルブ１０３ａ，１０３ｂが設けられる。
前記２つの吸気バルブ１０２ａ，１０２ｂは、２つの吸気ポート１０４ａ，１０４ｂの燃焼室１０５側の開放端をそれぞれに開閉するバルブであり、吸気カムシャフト１０６に設けられたカム１０７によって開閉駆動される。
【０００８】
一方、前記排気バルブ１０３ａ，１０３ｂは、２つの排気ポート１０８ａ，１０８ｂの燃焼室１０５側の開放端をそれぞれに開閉するバルブであり、排気カムシャフト１０９に設けられたカム１１０によって開閉駆動される。
前記燃焼室１０５を形成するシリンダヘッド１１１の中央には、第１燃料噴射弁１１２及び点火プラグ１１３が配置されている。
【０００９】
前記第１燃料噴射弁１１２には、吸気カムシャフト１０６によって駆動される高圧ポンプ１１４で昇圧された高い圧力の燃料が供給される。
尚、前記高圧ポンプ１１４には、図示省略した燃料タンク内の燃料（ガソリン）が電動式の低圧ポンプによって供給される。
一方、前記２つの吸気ポート１０４ａ，１０４ｂのうちの一方の吸気ポート１０４ａの上流側には、第２燃料噴射弁１１５が設けられ、該第２燃料噴射弁１１５には、前記低圧ポンプによって燃料が供給される。
【００１０】
また、前記吸気ポート１０４ａの第２燃料噴射弁１１５が設置される部分よりも下流側には、バイパス通路１１６が設けられ、該バイパス通路１１６には、燃料改質装置としての触媒１１７が介装されている。
前記触媒１１７は、前記ロジウムやセリア、或いは、プラチナ等の貴金属を担体に担持させた酸化触媒である。
【００１１】
前記バイパス通路１１６の入り口側には、バイパス通路１１６の入り口を閉じて空気を吸気ポート１０４ａ側にのみ流す状態と、吸気ポート１０４ａを閉じて空気をバイパス通路１１６側にのみ流す状態とに切り換える吸気コントロールバルブ１１８（切り換え手段）が設けられている。
前記吸気コントロールバルブ１１８は、図示省略したモータ等のアクチュエータで駆動される。
【００１２】
また、前記触媒１１７が設けられるバイパス通路１１６の近傍を排気管１１９が延設されるようにし、前記触媒１１７が設けられるバイパス通路１１６と近傍の排気管１１９との間で熱交換を行う熱交換器１２０が設けられる。
前記熱交換器１２０は、排気熱で触媒１１７を加熱する加熱手段である。
前記熱交換器１２０が設けられる部分よりも上流側の排気管１１９からは、排気バイパス通路１２１が分岐延設され、該排気バイパス通路１２１は、前記熱交換器１２０が設けられる部分よりも下流側の排気管１１９に合流する。
【００１３】
前記排気バイパス通路１２１の入り口部には、排気バイパス通路１２１に流れる排気の流量と排気バイパス通路１２１に流入することなく排気管１１９をそのまま流れる排気の流量との割合を制御する排気コントロールバルブ１２２が設けられている。
前記排気コントロールバルブ１２２によって熱交換器１２０に流入する排気の流量を制御することで、熱交換器１２０による触媒１１７の加熱量が制御される。
【００１４】
ところで、一般的に、ガソリンのオクタン価と着火温度との間には、図３に示すように、オクタン価が低下するに従って着火温度が低下する特性がある。
一方、前記触媒１１７によってガソリンを酸化（改質）させると、オクタン価を低下させることになって、触媒１１７通過後のガソリン（改質後のガソリン）は、触媒１１７通過前（改質前）のガソリンに対して着火温度がより低下することになる（図３参照）。
【００１５】
前記第１，第２燃料噴射弁１１２，１１５には、共通の燃料タンクから供給される同じ種類（同じオクタン価）の燃料（ガソリン）が供給されるものの、第１燃料噴射弁１１２からは燃料が直接燃焼室内に噴射されるが、吸気コントロールバルブ１１８によって空気がバイパス通路１１６側に流れる状態にすると、第２燃料噴射弁１１５から噴射された燃料は途中で触媒１１７によって改質されてから燃焼室内に吸引されることになる。
【００１６】
ここで、前記第２燃料噴射弁１１５から噴射され途中で着火温度（オクタン価）を低下させる改質が行われた燃料は、吸気行程において燃焼室１０５内に吸引されることになり、例えば、前記第１燃料噴射弁１１２による燃料噴射も吸気行程で行わせるようにすることで、図４に示すように、改質によって着火温度が低下した燃料による混合気が、改質されていない着火温度が相対的に高い燃料による混合気で囲まれるように、燃焼室１０５内に混合気層を形成させることができる。
【００１７】
即ち、着火温度の異なる２つの燃料によってそれぞれに形成される混合気が、圧縮行程において燃焼室１０５内で層をなすようにする。
前記２つの混合気層のうち着火温度が低い燃料による混合気層（中央の混合気層）から予反応が開始され、係る圧縮燃焼の初期段階における発熱量はノッキングを起こすほど大きくはならず、改質された燃料の着火後に、周囲の改質されていない燃料による混合気層での燃焼が開始されることになるため、燃焼室１０５内に均一な燃料によって均一混合気を形成する場合に比べて、燃焼期間を延長でき、ノッキングを回避することが可能である（図５参照）。
【００１８】
ここで、前記第１，第２燃料噴射弁１１２，１１５、吸気コントロールバルブ１１８、排気コントロールバルブ１２２及び点火プラグ１１３の各動作は、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１３０によって制御される。
前記コントロールユニット１３０には、アクセル開度（要求負荷）を検出するアクセル開度センサ１３１、機関回転速度を検出する回転センサ１３２、機関の冷却水温度を検出する水温センサ１３３などからの検出信号が入力される。
【００１９】
そして、前記コントロールユニット１３０は、図６のフローチャートに示すようにして、前記機関１０１の燃焼を制御する。尚、機関１０１の負荷は、投入する燃料量によって制御されるものとする。
図６のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１では、機関負荷や機関回転速度などの機関運転状態の読み込みを行う。
【００２０】
ステップＳ１０２では、燃焼パターンの判定を行う。
本実施形態の機関１０１は、図７に示すように、予混合圧縮着火燃焼を行わせる運転領域と火花点火燃焼を行わせる運転領域とが、機関負荷と機関回転速度とに応じて予め設定されており、中負荷・中回転域で予混合圧縮着火燃焼を行わせるようになっている。
前記ステップＳ１０２では、そのときの機関負荷及び機関回転速度が、図７に示す予混合圧縮着火燃焼領域と火花点火燃焼領域とのいずれに該当しているかを判別する。
【００２１】
ここで、現在の機関負荷及び機関回転速度が火花点火燃焼領域に該当すると判断されると、ステップＳ１０３へ進み、前記吸気コントロールバルブ１１８を、前記バイパス通路１１６の入り口を閉じる位置に駆動制御した後、ステップＳ１０４へ進み、火花点火制御を行う。
前記ステップＳ１０４における火花点火制御においては、第２燃料噴射弁１１５からの燃料噴射を停止させる一方、前記第１燃料噴射弁１１２による燃料噴射を吸気行程又は圧縮行程において行わせ、燃焼室１０５内に予混合された燃料を、点火プラグ１１３による火花点火で着火燃焼させる。
【００２２】
一方、ステップＳ１０２で、現在の機関負荷及び機関回転速度が予混合圧縮着火燃焼領域に該当すると判断されると、ステップＳ１０５へ進む。
ステップＳ１０５では、触媒１１７の温度が活性温度になっているか否かを判断する。
例えば、冷却水温度が閾値を超えている場合に、触媒１１７の温度が活性温度に達していると推定でき、また、触媒１１７の温度を検出するセンサを備え、該センサで触媒１１７の温度を直接的に検出させても良い。
【００２３】
機関１０１の始動から暖機が完了するまでは、前記排気コントロールバルブ１２２を排気バイパス通路１２１に排気が流れることがないように制御することで、触媒１１７が熱交換器１２０を介して加熱され、活性温度に早期に到達するようにする。
活性後の火花点火燃焼状態では、引き続き前記排気コントロールバルブ１２２を排気バイパス通路１２１に排気が流れることがないように制御しても良いし、後述する図９に示す特性に従って、そのときの機関負荷・機関回転速度に応じた目標温度になるように、前記排気コントロールバルブ１２２の開度（排気バイパス通路１２１に逃がす排気流量）を制御しても良い。
【００２４】
触媒１１７が活性温度に達していない場合には、触媒１１７を用いた燃料（ガソリン）の改質が行えないので、ステップＳ１０６へ進み、第２燃料噴射弁１１５からの燃料噴射を停止させる一方で、前記第１燃料噴射弁１１２による燃料噴射を吸気行程又は圧縮行程において行わせ、圧縮自己着火燃焼させる。
また、触媒１１７が活性温度に達していると判断されると、ステップＳ１０７へ進む。
【００２５】
ステップＳ１０７では、吸気コントロールバルブ１１８を、前記バイパス通路１１６の入り口を開いて第２燃料噴射弁１１５から噴射された燃料が触媒１１７に導入されるようにする一方、改質燃料の噴射割合制御及び触媒温度の制御を行う。
前記改質燃料の噴射割合制御とは、要求燃料量のうち前記第２燃料噴射弁１１５から噴射させる燃料の割合であり、換言すれば、前記第２燃料噴射弁１１５から噴射させ触媒１１７で改質させることで着火温度を低下させた燃料の割合である。
【００２６】
前記改質燃料の噴射割合は、図８に示すように、予め機関負荷（アクセル開度）と機関回転速度とに応じて決定されており、機関回転速度が高く機関負荷が低いほど大きな値に設定される。
機関１０１の低負荷時には、機関１０１に対する投入燃料量が少なく空燃比としてリーンになり、燃料投入量が多く空燃比としてリッチとなる高負荷時に比べて、燃焼不安定になり易い。
【００２７】
そこで、低負荷時には、燃焼安定性を向上させるべく、着火温度の低い改質燃料の割合を増やす。
また、機関回転速度が高いときには、触媒１１７における反応に必要な時間が確保できなくなるため、着火温度の低い改質燃料の割合を増やすことで、燃焼安定性を向上させる。
【００２８】
一方、前記触媒温度の制御とは、排気コントロールバルブ１２２の開度（排気バイパス通路１２１に逃がす排気流量）を制御して、触媒１１７の温度を目標温度に制御するものである。
ここで、触媒１１７の目標温度は、図９に示すように、予め機関負荷（アクセル開度）と機関回転速度とに応じて決定されており、機関回転速度が高く機関負荷が低いほど高い温度に設定される。
【００２９】
触媒１１７は、その温度が高いほど改質（酸化）できる燃料量が増加するから、改質燃料の噴射割合を多くする高回転・低負荷領域で、目標温度を高くして（加熱量を多くして）改質（酸化）できる燃料量を多くし、燃焼安定性を確保できるようにする。
ステップＳ１０８では、そのときのアクセル開度及び前記改質燃料割合に基づいて、第１燃料噴射弁１１２から噴射させる燃料量と、第２燃料噴射弁１１５から噴射させる燃料量とを決定し、各燃料噴射弁１１２，１１５から燃料を噴射させることで、着火温度の異なる２つの燃料によってそれぞれに形成される混合気が燃焼室１０５内で層をなすようにし、前記着火温度の違いによって２段階に圧縮自己着火燃焼を行わせる。
【００３０】
即ち、前記２つの混合気層のうち着火温度が低い燃料による混合気層から予反応が開始して燃焼し、改質された燃料の着火後に、更に温度が上がることで改質されていない燃料を圧縮自己着火燃焼に至らしめる（図５参照）。
従って、急激な燃焼が行われず、燃焼期間の長い緩慢な燃焼を実現でき、これによってノッキングの発生を防止できるから、圧縮自己着火燃焼領域を高負荷側に拡大することが可能となる。
【００３１】
尚、触媒１１７の加熱を、熱交換器１２０による排気熱の利用によって行わせたが、ヒータを触媒１１７の加熱手段として設け、該ヒータへの電力供給を制御することで、加熱量を制御させることができる。
ところで、第２燃料噴射弁１１５から噴射された燃料を改質させる代わりに、燃料改質装置（触媒）で改質された燃料を、第２燃料噴射弁１１５から噴射させることができ、係る構成とした第２実施形態を、図１０及び図１１に示す。
【００３２】
尚、図１０及び図１１において、図１及び図２と同一要素には、同一符号を付してある。
図１０及び図１１に示すように、第２実施形態では、第１実施形態において備えられていたバイパス通路１１６、吸気コントロールバルブ１１８、排気コントロールバルブ１２２、排気バイパス通路１２１が省略されている。
【００３３】
そして、前記触媒１１７に代えて、第２燃料噴射弁１１５の上流側に燃料改質装置（触媒）１４１を設け、第２燃料噴射弁１１５が燃料改質装置（触媒）１４１で改質（酸化）された燃料を吸気ポート１０４ａ内に噴射するようにしてある。
前記燃料改質装置（触媒）１４１の加熱は、第１実施形態のように、排気との間で熱交換を行う熱交換器を用いることができると共に、ヒータを用いても良く、第１実施形態と同様に機関負荷・機関回転速度に応じて加熱量を制御させることができる。
【００３４】
また、前記第１，第２燃料噴射弁１１２，１１５による噴射割合も、第１実施形態と同様に、機関負荷・機関回転速度に応じて制御させ、第２燃料噴射弁１１５から噴射される改質燃料（着火温度の低い燃料）で形成される混合気層を燃焼室１０５の中央に配設し、その周囲を囲むように、改質されていない燃料（着火温度が高い燃料）で形成させる混合気層を配設し、燃焼室１０５内に着火温度の異なる燃料による混合気層で成層化する。
【００３５】
上記構成によると、予め改質された燃料を燃料噴射弁から噴射させるので、改質された燃料による混合気形成を安定的に行わせることができる。
上記のように、予め改質された燃料を燃料噴射弁から噴射させる場合には、燃焼室１０５に直接燃料を噴射する第１燃料噴射弁１１２が、燃料改質装置（触媒）１４１で改質された燃料を噴射し、吸気ポート１０４ａ内に噴射する第２燃料噴射弁１１５が改質前の燃料を噴射する構成とすることができる。
【００３６】
この場合、第１燃料噴射弁１１２による燃料噴射を圧縮行程で行わせる一方で、第２燃料噴射弁１１５による燃料噴射を吸気行程で行わせることで、改質燃料（着火温度の低い燃料）で形成される混合気層を燃焼室１０５の中央に配設し、その周囲を囲むように、改質されていない燃料（着火温度が高い燃料）で形成させる混合気層を配設することができる。
【００３７】
更に、燃料の搬送経路の途中で改質を行わせるのではなく、燃料改質装置で改質した燃料若しくはガソリンスタンドなどで外部から補給される低オクタン価の燃料を貯留する第１燃料タンクと、改質前の燃料若しくはガソリンスタンドなどで外部から補給される高オクタン価の燃料を貯留する第２燃料タンクとを備え、第１，第２燃料噴射弁１１２，１１５の一方が、前記第１燃料タンク内の燃料を噴射し、第１，第２燃料噴射弁１１２，１１５の他方が、前記第２燃料タンク内の燃料を噴射する構成とすることができる。
【００３８】
また、燃料の改質処理には、触媒による酸化処理の他、沸点の違いによる分留や、添加剤の投入など、着火温度を変化させることが可能な公知の処理が含まれる。
そして、改質によって改質前よりも高オクタン価で着火温度の高い燃料を生成し、この改質によって得られた高オクタン価の燃料と、改質前の低オクタン価で着火温度の低い燃料とを用いて混合気層を形成させることができ、また、改質によって、改質前よりも高オクタン価で着火温度の高い燃料と、改質前よりも低オクタン価で着火温度の低い燃料とを同時に生成させることもできる。
【００３９】
更に、燃焼室１０５内に直接燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、同じく燃焼室１０５内に直接燃料を噴射する第２燃料噴射弁とを備え、これらの燃料噴射弁から相互に着火温度の異なる燃料を、例えば、吸気行程と圧縮行程とにおいてそれぞれ噴射させることで、着火温度の異なる混合気層を形成させることが可能である。
また、着火温度が相互に異なる燃料を３種類以上用意し、混合気層を３層以上形成させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１実施形態における予混合圧縮着火内燃機関を示す図。
【図２】前記第１実施形態における予混合圧縮着火内燃機関を示す図。
【図３】前記第１実施形態における改質の特性を、オクタン価と着火温度との相関に基づいて説明するための線図。
【図４】前記第１実施形態における混合気の分布を示す図。
【図５】前記第１実施形態における燃焼特性を、筒内温度と熱発生率との関係から説明するための図。
【図６】前記第１実施形態における燃焼制御を示すフローチャート。
【図７】前記第１実施形態における予混合圧縮着火領域と火花点火領域とを示す図。
【図８】前記第１実施形態における改質燃料割合の特性を示す線図。
【図９】前記第１実施形態における触媒の目標温度の特性を示す線図。
【図１０】第２実施形態における予混合圧縮着火内燃機関を示す図。
【図１１】前記第２実施形態における予混合圧縮着火内燃機関を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１０１…内燃機関、１０２ａ，１０２ｂ…吸気バルブ、１０３ａ，１０３ｂ…排気バルブ、１０４ａ，１０４ｂ…吸気ポート、１０５…燃焼室、１１２…第１燃料噴射弁、１１３…点火プラグ、１１４…高圧ポンプ、１１５…第２燃料噴射弁、１１６…バイパス通路、１１７…触媒（燃料改質装置）、１１８…吸気コントロールバルブ（切り換え手段）、１２０…熱交換器、１２１…排気バイパス通路、１２２…排気コントロールバルブ、１３０…コントロールユニット、１４１…燃料改質装置
【図１】
2008069694.tif 000003
【図２】
2008069694.tif 000004
【図３】
2008069694.tif 000005
【図４】
2008069694.tif 000006
【図５】
2008069694.tif 000007
【図６】
2008069694.tif 000008
【図７】
2008069694.tif 000009
【図８】
2008069694.tif 000010
【図９】
2008069694.tif 000011
【図１０】
2008069694.tif 000012
【図１１】
2008069694.tif 000013