(57)【要約】【課題】アルコールを含んだ燃料を用いる内燃機関におけるノッキングの発生および冷却損失の発生を抑制しつつ燃焼性を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関（１０）の制御装置（１００）は、シリンダブロック（１１）の冷却を確保しつつシリンダヘッド（１２）における冷却損失の発生がシリンダヘッドの断熱によって抑制可能な構造と、アルコールを含んだ燃料と空気とが混合した混合気が燃焼室（１４）に流入するときの流動方向を調整する気流調整弁（２１）と、を備える内燃機関の制御装置であって、燃料に含まれるアルコールの濃度が所定濃度以上である場合に、燃焼室に流入した混合気がシリンダヘッドに衝突するように気流調整弁の開度を制御する制御部（１０４）を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックの冷却を確保しつつシリンダヘッドにおける冷却損失の発生が前記シリンダヘッドの断熱によって抑制可能な構造と、アルコールを含んだ燃料と空気とが混合した混合気が燃焼室に流入するときの流動方向を調整する気流調整弁と、を備える内燃機関の制御装置であって、
前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度が所定濃度以上である場合に、前記燃焼室に流入した前記混合気が前記シリンダヘッドに衝突するように前記気流調整弁の開度を制御する制御部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度が前記所定濃度以上である場合に、さらに前記内燃機関の運転条件が、前記燃焼室に流入した前記混合気が前記シリンダヘッドに衝突してもノッキングが発生しない前記内燃機関の運転条件である非ノッキング運転条件に含まれる場合に、前記燃焼室に流入した前記混合気が前記シリンダヘッドに衝突するように前記気流調整弁の開度を制御する請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記非ノッキング運転条件が前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度と前記内燃機関の回転数と前記内燃機関の出力トルクとを用いて規定されたマップを参照することで、前記内燃機関の運転条件が前記非ノッキング運転条件に含まれる場合であると判定し、
該マップは、前記内燃機関の前記回転数を一定とした場合に、前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度が高いほど前記非ノッキング運転条件に対応する前記内燃機関の前記出力トルクが大きくなるように規定されている請求項２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記シリンダブロックの冷却を確保しつつ前記シリンダヘッドにおける冷却損失の発生が前記シリンダヘッドの断熱によって抑制可能な前記構造は、前記シリンダブロックの前記燃焼室に面した壁面の一部分である局所壁面を冷却することで前記シリンダブロックの冷却を確保し、
前記制御部は、前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度が前記所定濃度より小さい場合には、前記燃焼室に流入した前記混合気が前記局所壁面に衝突するように前記気流調整弁の開度を制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記所定濃度は、前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度をノッキングが発生し難い高濃度とノッキングが発生し易い低濃度とに区分する濃度である請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記アルコールはエタノールである請求項１〜５のいずれか１項に記載の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、特にアルコールを含んだ燃料を用いる内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の正味仕事に用いられない損失として、ポンプ損失、排気損失、冷却損失、機械損失等がある。これらの損失のうち冷却損失は大きなウエイトを占めることから、冷却損失の発生を抑制して燃費向上を図るための技術が考案されている。例えば特許文献１は、内燃機関のシリンダヘッドを断熱部材によって燃焼室から断熱することで、シリンダヘッドにおける冷却損失の発生を抑制する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７０４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の中には、エタノール等のアルコールを含んだ燃料を用いるものがある。このような内燃機関に特許文献１に係る技術を応用してシリンダヘッドを断熱部材によって断熱した場合、燃焼室内の温度が上昇して、ノッキングが発生するおそれがある。そこで、ノッキングの発生を抑制するために冷却によって燃焼室の温度上昇を抑制した場合、燃料の気化が抑制されてしまい、燃料の燃焼性が悪化するおそれがある。
【０００５】
本発明は、アルコールを含んだ燃料を用いる内燃機関におけるノッキングの発生および冷却損失の発生を抑制しつつ燃焼性を向上させ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、シリンダブロックの冷却を確保しつつシリンダヘッドにおける冷却損失の発生が前記シリンダヘッドの断熱によって抑制可能な構造と、アルコールを含んだ燃料と空気とが混合した混合気が燃焼室に流入するときの流動方向を調整する気流調整弁と、を備える内燃機関の制御装置であって、前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度が所定濃度以上である場合に、前記燃焼室に流入した前記混合気が前記シリンダヘッドに衝突するように前記気流調整弁の開度を制御する制御部を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、内燃機関がシリンダブロックの冷却を確保しつつシリンダヘッドにおける冷却損失の発生がシリンダヘッドの断熱によって抑制可能な構造を有することから、燃焼室の温度上昇を抑制してノッキングの発生を抑制できるととともに、シリンダヘッドにおける冷却損失の発生を抑制することができる。
【０００８】
また、アルコールを含んだ燃料を用いる内燃機関は、燃料に含まれるアルコールの濃度が高いほどノッキングが発生し難くなるという性質を有している。本発明に係る制御部は、燃料に含まれるアルコールの濃度が所定濃度以上である場合に燃焼室に流入した混合気がシリンダヘッドに衝突するように気流調整弁の開度を制御することから、アルコールの濃度が所定濃度より小さい場合に比較してノッキングが発生し難い場合に燃焼室に流入した混合気をシリンダヘッドに衝突させることができる。その結果、ノッキングの発生を抑制しつつ燃焼室に流入した混合気をシリンダヘッドの熱で加熱することができる。それにより、ノッキングの発生を抑制しつつ混合気に含まれる燃料の気化を促進させて燃焼性を向上させることができる。以上のように本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、アルコールを含んだ燃料を用いる内燃機関におけるノッキングの発生および冷却損失の発生を抑制しつつ燃焼性を向上させることができる。
【０００９】
上記構成において、前記制御部は、前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度が前記所定濃度以上である場合に、さらに前記内燃機関の運転条件が、前記燃焼室に流入した前記混合気が前記シリンダヘッドに衝突してもノッキングが発生しない前記内燃機関の運転条件である非ノッキング運転条件に含まれる場合に、前記燃焼室に流入した前記混合気が前記シリンダヘッドに衝突するように前記気流調整弁の開度を制御してもよい。
【００１０】
この構成によれば、燃焼室に流入した混合気がシリンダヘッドの熱で加熱されたときにノッキングが発生することを阻止することができる。
【００１１】
上記構成において、前記制御部は、前記非ノッキング運転条件が前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度と前記内燃機関の回転数と前記内燃機関の出力トルクとを用いて規定されたマップを参照することで、前記内燃機関の運転条件が前記非ノッキング運転条件に含まれる場合であると判定し、該マップは、前記内燃機関の前記回転数を一定とした場合に、前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度が高いほど前記非ノッキング運転条件に対応する前記内燃機関の前記出力トルクが大きくなるように規定されていてもよい。
【００１２】
この構成によれば、燃焼室に流入した混合気をシリンダヘッドに衝突させる内燃機関の運転条件の範囲を、燃料に含まれるアルコールの濃度に応じて広くすることができる。それにより、燃料の気化の促進をアルコールの濃度に応じて適切に行うことができる。
【００１３】
上記構成において、前記シリンダブロックの冷却を確保しつつ前記シリンダヘッドにおける冷却損失の発生が前記シリンダヘッドの断熱によって抑制可能な前記構造は、前記シリンダブロックの前記燃焼室に面した壁面の一部分である局所壁面を冷却することで前記シリンダブロックの冷却を確保し、前記制御部は、前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度が前記所定濃度より小さい場合には、前記燃焼室に流入した前記混合気が前記局所壁面に衝突するように前記気流調整弁の開度を制御してもよい。
【００１４】
この構成によれば、燃料に含まれるアルコールの濃度が所定濃度より小さい場合に燃焼室に流入した混合気を局所壁面によって冷却することができる。それによりノッキングの発生を抑制することができる。また、シリンダブロックの燃焼室に面した壁面の一部分が冷却されていることから、シリンダブロックの燃焼室に面した壁面全体が冷却される場合に比較して、シリンダブロックにおける冷却損失の発生が抑制されている。
【００１５】
上記構成において、前記所定濃度は、前記燃料に含まれる前記アルコールの濃度をノッキングが発生し難い高濃度とノッキングが発生し易い低濃度とに区分する濃度である構成としてもよい。上記構成において、前記アルコールはエタノールである構成としてもよい。この構成によれば、エタノールを含んだ燃料を用いる内燃機関におけるノッキングの発生および冷却損失の発生を抑制しつつ燃焼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、アルコールを含んだ燃料を用いる内燃機関におけるノッキングの発生および冷却損失の発生を抑制しつつ燃焼性を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（ａ）は、実施例１に係る制御装置および内燃機関を備える内燃機関システムの模式図である。図１（ｂ）は制御装置の機能ブロック図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｃ）は、局所壁面および局所流路を説明するための図である。
【図３】図３は、局所冷却装置および内燃機関の冷却構造を説明するための図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、シリンダブロックの冷却を確保しつつシリンダヘッドにおける冷却損失の発生がシリンダヘッドの断熱によって抑制可能な構造による効果を説明するための図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、シリンダブロックの冷却を確保しつつシリンダヘッドにおける冷却損失の発生がシリンダヘッドの断熱によって抑制可能な構造による効果を説明するための図である。
【図６】図６（ａ）は、非ノッキング運転条件を規定したマップの一例を示す図である。図６（ｂ）は、内燃機関の回転数を一定とした場合における内燃機関の出力トルクとエタノール濃度との関係を示す図である。
【図７】図７は、制御装置のフローチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例１に係る内燃機関１０の制御装置１００（以下、制御装置１００と略称する）について説明する。図１（ａ）は、本実施例に係る制御装置１００および内燃機関１０を備える内燃機関システム５の模式図である。なお、図１（ａ）の内燃機関１０は、内燃機関１０のクランク軸の軸線方向から内燃機関１０を見た模式図となっている。本実施例に係る内燃機関１０は、アルコールを含んだ燃料を用いて作動する内燃機関である。アルコールの種類は、特に限定されるものではなく、例えばメタノール、エタノール等を用いることができる。本実施例においては、アルコールの一例としてエタノールを用いる。
【００２０】
内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上方に配置されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１内に配置されたピストン１３とを備えている。シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とピストン１３とによって囲まれた領域に、燃焼室１４が形成されている。なお、本実施例に係る上方および下方は、必ずしも重力方向における上方および下方と一致している必要はない。例えば、本実施例に係る上方および下方は水平方向であってもよい。
【００２１】
シリンダヘッド１２は、燃焼室１４に吸気を導くための吸気通路１５と燃焼室１４から排気を排出するための排気通路１６とを備えている。内燃機関１０の吸気行程において燃焼室１４には、吸気として燃料と空気とが混合した混合気が導かれる。シリンダヘッド１２には、ヘッド流路１７が形成されている。ヘッド流路１７は、シリンダヘッド１２を冷却するための流体が流通する流路である。
【００２２】
内燃機関１０は、吸気通路１５を開閉する吸気弁１８と、排気通路１６を開閉する排気弁１９と、燃焼室１４の混合気に火花を点火する点火プラグ２０とを備えている。すなわち、本実施例に係る内燃機関１０は、火花点火式の内燃機関である。本実施例において点火プラグ２０は、燃焼室１４の天井部の中央に配置されている。但し、点火プラグ２０の配置箇所は、これに限定されるものではない。また、本実施例に係る制御装置１００は火花点火式の内燃機関以外の内燃機関に適用することもできる。
【００２３】
内燃機関１０は、吸気通路１５に気流調整弁２１を備えている。気流調整弁２１は制御装置１００に制御されて、燃焼室１４に流入する気流の流動方向を調整する弁である。混合気は気流に乗って燃焼室１４に流入する。したがって、気流調整弁２１は、気流の流動方向を調整することで、混合気が燃焼室１４に流入するときの流動方向も調整している。気流調整弁２１としては、タンブルコントロールバルブ、スワールコントロールバルブ等を用いることができる。本実施例においては、吸気行程において燃焼室１４にタンブルが生成されるため、気流調整弁２１としてタンブルコントロールバルブを用いる。なお、吸気行程において燃焼室１４にスワールが生成される内燃機関の場合、気流調整弁２１としてスワールコントロールバルブを用いればよい。
【００２４】
内燃機関１０は、局所冷却装置３０を備えている。局所冷却装置３０は、シリンダブロック１１の燃焼室１４に面した壁面（以下、シリンダブロック１１の壁面と略称する）の一部分である局所壁面２２を冷却する装置である。局所冷却装置３０は、制御装置１００によって制御される。局所冷却装置３０は、局所流路３１を備えている。なお、図１（ａ）において、シリンダブロック１１の局所壁面２２と局所流路３１とによって挟まれた領域には、水平方向に対して＋側に傾斜した線と−側に傾斜した線とによってハッチングが施されている。局所壁面２２および局所冷却装置３０の詳細は後述する。
【００２５】
内燃機関１０は、制御装置１００の動作に必要な情報を検出するための各種センサを備えている。例えば内燃機関１０は、クランクポジションセンサ４０および濃度センサ４１を備えている。クランクポジションセンサ４０は、内燃機関１０のクランク軸の位置を検出し、検出結果を制御装置１００に伝える。制御装置１００は、クランクポジションセンサ４０の検出結果に基づいて、内燃機関１０の回転数および内燃機関１０の出力トルクを取得する。なお、制御装置１００が内燃機関１０の回転数および出力トルクを取得できる情報を検出できるセンサであれば、クランクポジションセンサ４０以外のセンサを用いてもよい。
【００２６】
濃度センサ４１は、燃料に含まれるアルコール（本実施例においてはエタノール）の濃度を検出し、検出結果を制御装置１００に伝える。具体的には濃度センサ４１は、吸気通路１５に配置されて、混合気中の燃料に含まれるエタノールの濃度を検出している。なお、濃度センサ４１の配置箇所はこれに限定されるものではない。例えば、濃度センサ４１は、燃料タンクと燃料噴射弁とを連通する燃料用の流路等に配置されていてもよい。
【００２７】
制御装置１００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）１０２およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）１０３を備える電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）である。
【００２８】
図１（ｂ）は制御装置１００の機能ブロック図である。制御装置１００の機能は、制御部１０４および記憶部１０５によって実現することができる。制御部１０４は、各種センサの検出結果を受けて気流調整弁２１および局所冷却装置３０を制御する機能を有している。記憶部１０５は、制御部１０４の制御に必要なデータ等を記憶する機能を有している。制御部１０４は、記憶部１０５の記憶したデータ等を適宜参照しながら各種制御を行う。制御部１０４の機能はＣＰＵ１０１によって実行され、記憶部１０５の機能はＲＯＭ１０２およびＲＡＭ１０３によって実行される。
【００２９】
続いて局所壁面２２および局所流路３１について説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、局所壁面２２および局所流路３１を説明するための図である。図２（ａ）は気流調整弁２１の開度がゼロの場合における内燃機関１０を示し、図２（ｂ）は気流調整弁２１の開度が所定の開度の場合における内燃機関１０を示している。図２（ａ）および図２（ｂ）において、気流が矢印で図示されている。図２（ｃ）は、局所流路３１を上方側から見た図である。なお、図２（ｃ）において、吸気弁１８および排気弁１９も想像線によって図示されている。
【００３０】
図２（ｃ）に示すように、本実施例に係る吸気弁１８はクランク軸線２３を挟んで一方の側に２つ配置され、排気弁１９はクランク軸線２３を挟んで他方の側に２つ配置されている。但し吸気弁１８および排気弁１９の個数は、これに限定されるものではない。
【００３１】
内燃機関１０において、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダブロック１１の壁面に衝突する箇所は、気流調整弁２１の開度に応じて変化する。気流調整弁２１および局所壁面２２は、気流調整弁２１の開度に応じて燃焼室１４に流入した混合気が局所壁面２２に衝突しない状態と燃焼室１４に流入した混合気が局所壁面２２に衝突する状態とが得られるように、設定されている。本実施例においては、図２（ａ）に示すように、気流調整弁２１の開度がゼロの場合、気流に乗って燃焼室１４に流入した直後の混合気は、シリンダヘッド１２の燃焼室１４に面した部分に衝突する。図２（ｂ）に示すように、気流調整弁２１の開度が所定の開度の場合、気流に乗って燃焼室１４に流入した直後の混合気は、局所壁面２２に衝突する。
【００３２】
局所壁面２２は、気流調整弁２１の開度が所定の開度のときに燃焼室１４に流入した混合気が衝突するシリンダブロック１１の壁面部分である。本実施例においては、局所壁面２２とシリンダヘッド１２との間には所定の距離が設けられている。またピストン１３が下死点に位置した場合、ピストン１３の冠面と局所壁面２２との間にも所定の距離が設けられている。なお、気流調整弁２１の所定の開度は、記憶部１０５が記憶しておく。
【００３３】
局所流路３１は、シリンダブロック１１における局所壁面２２に対応した部分に限定して形成された流路である。本実施例においては、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、局所流路３１の高さと局所壁面２２の高さとは等しく設定されている。図２（ｃ）に示すように局所流路３１は、シリンダブロック１１のクランク軸線２３よりも排気弁１９側に形成されている。なお、図２（ｃ）において局所壁面２２は、シリンダブロック１１の壁面のうちクランク軸線２３よりも排気弁１９側の部分である。
【００３４】
後述するように、局所流路３１には局所壁面２２よりも低温の流体が流動する。それにより局所流路３１は、局所壁面２２を冷却する機能を有している。局所流路３１は、局所壁面２２を冷却できる態様であれば、その形状は特に限定されるものではない。例えば、図２（ａ）および図２（ｂ）において、局所流路３１の高さは局所壁面２２の高さと同じでなくてもよい。また、図２（ｃ）において局所流路３１は、シリンダブロック１１の壁面のうち、クランク軸線２３よりも排気弁１９側の箇所のさらに一部分に限定して形成されていてもよい。なお、局所流路３１の体積は小さい方が好ましい。冷却時のエネルギー損失が少なくて済むからである。
【００３５】
続いて局所冷却装置３０および内燃機関１０の冷却構造について説明する。図３は、局所冷却装置３０および内燃機関１０の冷却構造を説明するための図である。局所冷却装置３０は、前述した局所流路３１の他に、ポンプ３２、冷却装置３３および循環流路３４を備えている。
【００３６】
局所流路３１とポンプ３２と冷却装置３３とは、循環流路３４によって連通されている。ポンプ３２は、制御部１０４によって制御されて流体を圧送する。流体としては特に限定されないが、例えば水、不凍液等の冷却媒体としての機能を有する流体を用いることができる。冷却装置３３は、制御部１０４に制御されることで、局所流路３１に供給される流体を局所壁面２２の温度よりも低い温度に冷却する装置である。
【００３７】
制御部１０４がポンプ３２および冷却装置３３を作動させることで、ポンプ３２から圧送された流体は、循環流路３４を循環しながら、冷却装置３３によって冷却されて局所流路３１において局所壁面２２を冷却する。すなわち、本実施例に係る局所冷却装置３０は、局所流路３１と、制御部１０４に制御されることで局所壁面２２の温度よりも低い温度の流体を局所流路３１に流通させる流体供給手段（ポンプ３２および冷却装置３３）とを備えている。
【００３８】
なお、制御部１０４がポンプ３２および冷却装置３３を作動させる時期は、特に限定されるものではない。例えば、内燃機関１０の冷却の必要性は、暖機運転時には小さく、暖機運転終了後においては高い。そのため制御部１０４は、暖機運転時にはポンプ３２および冷却装置３３を停止させ、暖機運転終了後においてポンプ３２および冷却装置３３を作動させてもよい。また、局所冷却装置３０の構成は図３の構成に限定されるものではない。例えば局所冷却装置３０は、冷却装置３３を備えていなくてもよい。この場合、制御部１０４は、暖機運転終了後には、暖機運転時において局所流路３１に流入する流体の流量よりも多い流量の流体が局所流路３１に流入するようにポンプ３２を制御してもよい。この場合においても、暖機運転終了後において、局所流路３１を流動する流体によって局所壁面２２を冷却することができる。
【００３９】
続いて内燃機関１０の冷却構造について説明する。内燃機関１０の冷却構造は、前述した局所冷却装置３０（局所流路３１、ポンプ３２、冷却装置３３および循環流路３４）に加えて、循環流路５０および流量調整弁５１を備えている。循環流路５０は、ヘッド流路１７とポンプ３２とを連通するための流路である。なお、図３において循環流路５０の一部および循環流路３４の一部は合流しているが、これに限定されるものではない。
【００４０】
流量調整弁５１は、制御部１０４に制御されて循環流路５０における流量を調整する弁である。本実施例において流量調整弁５１は、循環流路５０のヘッド流路１７よりも上流側に配置されている。但し、流量調整弁５１の配置箇所はこれに限定されるものではない。例えば流量調整弁５１は、循環流路５０のヘッド流路１７よりも下流側に配置されていてもよい。
【００４１】
制御部１０４は、例えば内燃機関１０の負荷に応じて流量調整弁５１を制御することで、循環流路５０における流体の流量を循環流路３４における流体の流量よりも小さく制御する。この場合、ヘッド流路１７における流体の流量（すなわち、シリンダヘッド１２を冷却する流体の流量）は、局所流路３１における流体の流量よりも小さく制御される。その結果、シリンダヘッド１２と流体との熱伝導は、シリンダブロック１１と流体との熱伝導に比較して低く制御される。それにより、本実施例に係る冷却構造は、シリンダヘッド１２が冷却用の流体から断熱された構造となっている。
【００４２】
内燃機関１０がこのような冷却構造を有することで、局所冷却装置３０によってシリンダブロック１１の冷却を確保することができる。また、シリンダヘッド１２における冷却損失をシリンダブロック１１における冷却損失よりも低く抑えることができる。すなわち、本実施例に係る冷却構造は、シリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２における冷却損失の発生がシリンダヘッド１２の断熱によって抑制可能な構造となっている。
【００４３】
なお内燃機関１０は、上述した冷却構造に代えてまたは上述した冷却構造とともに、断熱部材を有する構造を備えていてもよい。具体的には、内燃機関１０は、シリンダヘッド１２を燃焼室１４から断熱する断熱部材を備えた構造を有していてもよい。この構造の一例として、シリンダヘッド１２の燃焼室１４に露出した部分に断熱部材を配置する構造を用いることができる。断熱部材としては、例えば、シリンダヘッド１２を構成する材料である金属よりも熱伝導率の小さい部材を用いることができる。この場合、断熱部材によって燃焼室１４からシリンダヘッド１２への熱伝導を抑制することができる。それにより、シリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２が燃焼室１４から断熱された構造が得られる。この場合においても、シリンダヘッド１２が燃焼室１４から断熱されることで、シリンダヘッド１２における冷却損失の発生が抑制されている。
【００４４】
あるいは内燃機関１０は、上記断熱部材を有する構造に代えてまたは上記断熱部材を有する構造とともに、シリンダヘッド１２をシリンダブロック１１から断熱する断熱部材を備える構造を有していてもよい。この構造として、例えばシリンダヘッド１２のシリンダブロック１１側の界面に断熱部材を配置する構造を用いることができる。この場合、断熱部材によってシリンダブロック１１からシリンダヘッド１２への熱伝導が抑制されることで、シリンダヘッド１２がシリンダブロック１１から断熱された構造が得られる。この場合においても、シリンダヘッド１２がシリンダブロック１１から断熱されることで、シリンダヘッド１２における冷却損失の発生が抑制されている。
【００４５】
上述したように内燃機関１０がシリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２における冷却損失の発生がシリンダヘッド１２の断熱によって抑制可能な構造を有することで、以下の効果が得られる。図４（ａ）〜図４（ｃ）並びに図５（ａ）および図５（ｂ）は、シリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２における冷却損失の発生がシリンダヘッド１２の断熱によって抑制可能な構造による効果を説明するための図である。
【００４６】
まず、図４（ａ）に示すように、内燃機関１０の正味仕事に用いられない損失として、ポンプ損失、排気損失、冷却損失、機械損失がある。これらの損失のうち冷却損失が占めるウエイトは大きい。そのため、冷却損失の発生抑制は内燃機関１０の燃費向上に効果的である。
【００４７】
図４（ｃ）に示すように、冷却損失の発生抑制のためには、空気を断熱することが効果的である。しかしながら、例えばシリンダブロック１１の壁面に断熱部材を配置する、ピストン１３の冠面とシリンダブロック１１との間に断熱部材を配置する等の方法でシリンダブロック１１が燃焼室１４から断熱された場合、図４（ｂ）に示すように、シリンダブロック１１の温度が上昇して燃焼室１４内の混合気が加熱されてしまい、ノッキングが生じる可能性が高くなる。
【００４８】
これに対して本実施例のようにシリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２における冷却損失の発生がシリンダヘッド１２の断熱によって抑制可能な構造の場合、シリンダブロック１１の冷却が確保されていることから、シリンダブロック１１の温度の上昇が抑制されている。それにより、シリンダヘッド１２における冷却損失の発生を抑止して燃費向上を図りつつ、燃焼室１４内の混合気の加熱を抑制してノッキングの発生を抑制することができる。
【００４９】
また燃焼室１４に占めるシリンダブロック１１、シリンダヘッド１２およびピストン１３の表面積の割合は、図５（ａ）のようになっている。上死点付近において燃焼室１４に占めるシリンダヘッド１２およびピストン１３の表面積の割合は、燃焼室１４に占めるシリンダブロック１１の表面積の割合よりも高くなっている。図５（ｂ）に示すように、混合気の熱伝達率は、圧縮行程の上死点付近において顕著に高くなることが分る。したがって、内燃機関１０の冷却損失の発生を抑制するためには、シリンダヘッド１２における熱の移動量を抑制する方がシリンダブロック１１における熱の移動量を抑制するよりも効果的である。すなわち、シリンダブロック１１を断熱するよりもシリンダヘッド１２を断熱することの方が、内燃機関１０の冷却損失の発生を効果的に抑制することができ、内燃機関１０の燃費を効果的に向上させることができる。
【００５０】
一方、ノッキングの発生は圧縮端温度に依存する。したがって、吸気圧縮行程において燃焼室１４に占める表面積の割合が相対的に大きいシリンダブロック１１の温度上昇を抑制することが、ノッキングの発生の抑制にとって特に効果的である。
【００５１】
以上のことから、本実施例のように内燃機関１０がシリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２における冷却損失の発生がシリンダヘッド１２の断熱によって抑制可能な構造を有することで、内燃機関１０におけるノッキングの発生および冷却損失の発生を効果的に抑制して、内燃機関１０の燃費を効果的に向上できることが分る。
【００５２】
続いて、制御装置１００による気流調整弁２１の制御について説明する。まず、図２（ａ）および図２（ｂ）において前述したように、本実施例に係る内燃機関１０は、気流調整弁２１の開度に応じて、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突する状態（図２（ａ））と、シリンダヘッド１２に衝突せずにシリンダブロック１１の局所壁面２２に衝突する状態（図２（ｂ））とが得られるような構造を有している。
【００５３】
ここで、アルコールを含んだ燃料を用いる内燃機関１０は、燃料に含まれるアルコールの濃度が高いほど、ノッキングが発生し難くなるという性質を有している。そこで、本実施例に係る制御装置１００の制御部１０４は、燃料に含まれるエタノールの濃度（以下、エタノール濃度と略称する場合がある）に応じて気流調整弁２１の開度を制御する。
【００５４】
具体的には制御部１０４は、濃度センサ４１によって検出されたエタノール濃度が所定濃度以上か否かを判定する。その結果、エタノール濃度が所定濃度以上であると判定されなかった場合（すなわちエタノール濃度が所定濃度より小さい場合）には、制御部１０４は、燃焼室１４に流入した混合気が局所壁面２２に衝突するように気流調整弁２１の開度を図２（ｂ）で前述した所定の開度に制御する。この場合、燃焼室１４に流入した混合気を局所壁面２２によって効率的に冷却することができる。それによりノッキングの発生を抑制することができる。
【００５５】
一方、エタノール濃度が所定濃度以上と判定された場合には、制御部１０４は、内燃機関１０の運転条件が、燃焼室１４に流入した混合気が図２（ａ）に示すようにシリンダヘッド１２に衝突してもノッキングが発生しない内燃機関１０の運転条件（以下、この内燃機関１０の運転条件を非ノッキング運転条件と称する）に含まれるか否かを判定する。その結果、内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれると判定された場合、制御部１０４は、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突するように気流調整弁２１の開度を図２（ａ）で前述した開度に制御する。
【００５６】
この場合、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突することで、混合気をシリンダヘッド１２の熱で加熱して混合気に含まれる燃料の気化を促進させることができる。その結果、燃焼性を向上させることができる。また、内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件の場合に混合気がシリンダヘッド１２に衝突することから、混合気がシリンダヘッド１２の熱で加熱されても、ノッキングの発生は阻止されている。
【００５７】
一方、内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれると判定されなかった場合、制御部１０４は、燃焼室１４に流入した混合気が局所壁面２２に衝突するように気流調整弁２１の開度を、図２（ｂ）で前述した所定の開度に制御する。この場合、燃焼室１４に流入した混合気を局所壁面２２によって効率的に冷却して、ノッキングの発生を抑制することができる。
【００５８】
燃焼室１４に流入した混合気を局所壁面２２に衝突させるか否かの判断基準の一つである燃料に含まれるエタノールの所定濃度の具体的数値は、特に限定されるものではない。所定濃度は、予め実験、シミュレーション等によって適切な値を求めておき、記憶部１０５に記憶させておけばよい。制御部１０４は、濃度センサ４１の検出結果に基づいて記憶部１０５の所定濃度を参照することで、燃料に含まれるエタノールの濃度が所定濃度以上であるか否かの判定を行う。
【００５９】
なお所定濃度の一例として、燃料に含まれるエタノールの濃度をノッキングが発生し難い高濃度とノッキングが発生し易い低濃度とに区分する濃度を用いることができる。この場合、エタノール濃度がノッキングが発生し易い低濃度の場合に燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッドの熱によって加熱されることを阻止することができる。それにより、ノッキングの発生確率が高くなることを抑制することができる。また、少なくともエタノール濃度がノッキングが発生し難い高濃度の場合に、燃焼室１４に流入した混合気をシリンダヘッドの熱によって加熱することができる。
【００６０】
内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれるか否かの判定の具体的手法は、特に限定されるものではない。本実施例に係る制御部１０４は、一例として、マップを参照することで、内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれるか否かの判定を行う。本実施例においては、このマップの一例として、非ノッキング運転条件を燃料に含まれるエタノールの濃度と内燃機関１０の回転数と内燃機関１０の出力トルクとを用いて規定したマップを用いる。
【００６１】
図６（ａ）は、非ノッキング運転条件を規定したマップの一例を示す図である。図６（ａ）の縦軸は内燃機関１０の出力トルクを示し、横軸は内燃機関１０の回転数を示している。境界線Ａは出力トルクの上限値を示している。境界線Ｂ１〜境界線Ｂ４はエタノール濃度を示している。境界線Ｂ１〜境界線Ｂ４は、境界線Ｂ１、境界線Ｂ２、境界線Ｂ３および境界線Ｂ４の順に、エタノール濃度が高くなっている。各々の境界線Ｂ１〜境界線Ｂ４より下側の領域（領域Ａ）が、非ノッキング運転条件に対応している。
【００６２】
なお、境界線Ａと各々の境界線Ｂ１〜境界線Ｂ４とによって囲まれた領域（領域Ｂ）は、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突した場合に、ノッキングが発生する可能性がある内燃機関１０の運転条件に対応している。
【００６３】
図６（ｂ）は、図６（ａ）のマップにおいて内燃機関１０の回転数を一定とした場合における内燃機関１０の出力トルクとエタノール濃度との関係を示す図である。図６（ｂ）の縦軸は内燃機関１０の出力トルクを示し、横軸はエタノール濃度を示している。図６（ｂ）に図示された境界線よりも下側の領域Ａが非ノッキング運転条件に対応している。
【００６４】
図６（ｂ）において境界線は正に傾いていることから、エタノール濃度が高くなるほどノッキングが発生しない出力トルクは大きくなっている。そのため、図６（ａ）に係るマップにおいて境界線Ｂ１〜境界線Ｂ４は、境界線Ｂ１、境界線Ｂ２、境界線Ｂ３および境界線Ｂ４の順に上側に移動しているのである。その結果、図６（ａ）のマップは、内燃機関１０の回転数を一定とした場合に、エタノール濃度が高いほど非ノッキング運転条件に対応する内燃機関１０の出力トルクが大きくなるように規定されている。なお、燃料に含まれるアルコールがエタノール以外のアルコールの場合であっても、非ノッキング運転条件を規定したマップは、図６（ａ）および図６（ｂ）と同様のマップとなる。
【００６５】
マップは記憶部１０５が記憶しておく。制御部１０４は、クランクポジションセンサ４０の検出結果に基づいて取得した内燃機関１０の出力トルクおよび回転数と濃度センサ４１の検出結果に基づいて取得したエタノール濃度とがマップの非ノッキング運転条件（領域Ａ）に含まれているか否かを判定することで、内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれるか否かを判定する。
【００６６】
図７は、制御装置１００のフローチャートの一例を示す図である。制御装置１００の制御部１０４は図７のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。なお、図７のフローチャートのスタート時点において局所壁面２２は局所冷却装置３０によって冷却されているものとする。まず制御部１０４は、濃度センサ４１の検出したエタノール濃度が記憶部１０５に記憶された所定濃度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。
【００６７】
ステップＳ１０においてエタノール濃度が所定濃度以上であると判定された場合、制御部１０４は内燃機関１０の運転条件が記憶部１０５に記憶された非ノッキング運転条件に含まれるか否かを判定する（ステップＳ２０）。本実施例において制御部１０４は、エタノール濃度と内燃機関１０の回転数と内燃機関１０の出力トルクとがマップの領域Ａに含まれるか否かを判定することで、内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれるか否かを判定する。
【００６８】
ステップＳ２０において内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれると判定された場合、制御部１０４は燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御する（ステップＳ３０）。次いで制御部１０４はフローチャートの実行を終了する。
【００６９】
ステップＳ１０においてエタノール濃度が所定濃度以上であると判定されなかった場合、またはステップＳ２０において内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれると判定されなかった場合、制御部１０４は燃焼室１４に流入した混合気が局所壁面２２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御する（ステップＳ４０）。次いで制御部１０４はフローチャートの実行を終了する。
【００７０】
以上のように本実施例に係る内燃機関１０の制御装置１００によれば、内燃機関１０がシリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２における冷却損失の発生がシリンダヘッド１２の断熱によって抑制可能な構造を有することから、燃焼室１４の温度上昇を抑制してノッキングの発生を抑制できるとともに、シリンダヘッド１２における冷却損失の発生を抑制することができる。
【００７１】
また、制御部１０４は、エタノール濃度が所定濃度以上であり且つ内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれるときに、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御していることから、混合気をシリンダヘッド１２の熱で加熱することができる。それにより、混合気に含まれる燃料の気化を促進させることができる。その結果、燃焼性を向上させることができる。それにより、内燃機関１０の燃費を向上させることができる。また、内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれる場合に混合気がシリンダヘッド１２に衝突することから、混合気がシリンダヘッド１２の熱で加熱されたときにノッキングが発生することが阻止されている。
【００７２】
また制御部１０４は、エタノール濃度が所定濃度より小さい場合または内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれない場合には、燃焼室１４に流入した混合気が局所壁面２２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御している。この場合、燃焼室１４に流入した混合気を局所壁面２２によって効率的に冷却することができる。それにより、ノッキングの発生を抑制することができる。
【００７３】
また制御部１０４は、非ノッキング運転条件がエタノール濃度と内燃機関１０の回転数と内燃機関１０の出力トルクとを用いて規定されたマップを参照することで、内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれるか否かを判定し、このマップは、内燃機関１０の回転数を一定とした場合に、エタノール濃度が高いほど非ノッキング運転条件に対応する内燃機関１０の出力トルクが大きくなるように規定されている。それにより、燃焼室１４に流入した混合気をシリンダヘッド１２に衝突させる内燃機関１０の運転条件の範囲をエタノール濃度に応じて広くすることができる。その結果、混合気に含まれる燃料の気化の促進をエタノールの濃度に応じて適切に行うことができる。
【００７４】
なお、図７のフローチャートは、ステップＳ２０を備えていなくてもよい。この場合、制御部１０４は、エタノール濃度が所定濃度以上である場合に、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御することになる。この場合においても、混合気をシリンダヘッド１２の熱で加熱して混合気に含まれる燃料の気化を促進させることができる。また、エタノール濃度が所定濃度以上である場合は、エタノール濃度が所定濃度より小さい場合に比較してノッキングが発生し難い場合に相当することから、ノッキングが発生し難い場合に燃焼室１４に流入した混合気をシリンダヘッド１２に衝突させることができる。それにより、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２の熱で加熱された場合にノッキングが発生することが抑制されている。その結果、エタノールを含んだ燃料を用いる内燃機関１０におけるノッキングの発生および冷却損失の発生を抑制しつつ燃焼性を向上させることができる。
【００７５】
また、内燃機関１０はシリンダブロック１１の冷却を確保するために局所冷却装置３０を備えていることから、シリンダブロック１１の燃焼室１４に面した壁面全体が冷却される場合に比較して、シリンダブロック１１における冷却損失の発生は抑制されている。
【００７６】
なお、シリンダブロック１１の冷却を確保するための構造は、局所冷却装置３０を備える構造に限定されるものではない。例えば、シリンダブロック１１の冷却を確保するための構造は、シリンダブロック１１の燃焼室１４に面した壁面全体を冷却媒体によって冷却する構造であってもよい。この場合においても、内燃機関１０がシリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２における冷却損失の発生がシリンダヘッド１２の断熱によって抑制可能な構造を有し、制御部１０４がエタノール濃度が所定濃度以上である場合に燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御することで、エタノールを含んだ燃料を用いる内燃機関１０におけるノッキングの発生および冷却損失の発生を抑制しつつ燃焼性を向上させることができる。また制御部１０４が、エタノール濃度が所定濃度以上である場合に、さらに内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれる場合に、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御することで、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２の熱で加熱されたときにノッキングが発生することを阻止することができる。
【００７７】
また、本実施例に係る制御装置１００は、エタノール以外のアルコールを含んだ燃料を用いる内燃機関１０に適用されてもよい。この場合、例えば制御部１０４は、燃料に含まれるアルコールの濃度が所定濃度以上である場合に、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御する。また制御部１０４は、燃料に含まれるアルコールの濃度が所定濃度より小さい場合には、燃焼室１４に流入した混合気が局所壁面２２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御する。この場合、アルコールを含んだ燃料を用いる内燃機関１０におけるノッキングの発生および冷却損失の発生を抑制しつつ燃焼性を向上させることができる。また制御部１０４は、燃料に含まれるアルコールの濃度が所定濃度以上である場合に、さらに内燃機関１０の運転条件が非ノッキング運転条件に含まれる場合に、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２に衝突するように気流調整弁２１の開度を制御することで、燃焼室１４に流入した混合気がシリンダヘッド１２の熱で加熱されたときにノッキングが発生することを阻止することができる。
【００７８】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００７９】
５  内燃機関システム
１０  内燃機関
１１  シリンダブロック
１２  シリンダヘッド
１４  燃焼室
２１  気流調整弁
２２  局所壁面
３１  局所流路
４０  クランクポジションセンサ
４１  濃度センサ
１００  制御装置
１０４  制御部
【図１】
2012219785.tif 000003
【図２】
2012219785.tif 000004
【図３】
2012219785.tif 000005
【図４】
2012219785.tif 000006
【図５】
2012219785.tif 000007
【図６】
2012219785.tif 000008
【図７】
2012219785.tif 000009