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JP4983468B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、主燃焼用燃料（主たる燃焼に用いる燃料）として自着火性の低い燃料を予混合気として供給し、着火源用燃料（着火源となる燃料）として自着火性の高い燃料を前記予混合気中に供給することで着火させる内燃機関の燃焼制御装置に関する。
特許文献１に記載の技術は、高オクタン価燃料（低自着火性燃料）を吸気ポート内に噴射供給する第１の燃料供給手段と、低オクタン価燃料（高自着火性燃料）を燃焼室内に放射状に噴射して噴射燃料を噴霧塊として点在させることのできる第２の燃料供給手段とを備え、前記第１の燃料供給手段により、燃焼室内に高オクタン価燃料の雰囲気（予混合気）を形成した後、前記第２の燃料供給手段により、その雰囲気中に低オクタン価燃料の噴霧塊を点在させて、自然発火を促す。この結果、爆発行程において、燃焼室内の複数箇所を起点として火炎が広がるため、実質的な燃焼速度が上がり、ノッキングが発生する前に燃焼を完了することができる。
特開２００４−１９７６６０号公報
特許文献１に記載の技術は、主燃焼用燃料として自着火性の低い燃料を予混合気として供給し、着火源用燃料として自着火性の高い燃料を前記予混合気中に供給することで着火させるものであるが、主燃焼用燃料や着火源用燃料が常に決められた自着火性を有することを前提として制御しており、主燃焼用燃料や着火源用燃料の性状変化に対し、常に最適な状態で運転できるようにはなっていない。
本発明は、このような実状に鑑み、燃料性状の変化に応じて、更には燃料性状を積極的に制御することで、最適な燃焼制御を実現可能とすることを目的とする。
このため、本発明では、（ａ）主燃焼用燃料の自着火性、（ｂ）着火源用燃料の自着火性、（ｃ）圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力（圧縮端温度・圧力）の３つを相互に関連するパラメータとしてとらえ、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれかを基準としてそれぞれを制御する構成とする。
本発明によれば、最適な燃焼制御が可能となり、ノッキングを確実に防止できると共に、リーン燃焼限界を拡大することが可能となる。
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（エンジン）の燃焼室周りの構成図である。図１において、１は燃焼室であり、シリンダブロック、シリンダヘッド及びピストンにより画成される。３は吸気弁、４は排気弁、５は吸気通路、６は排気通路である。
ここにおいて、吸気通路（吸気ポート）５に第１の燃料インジェクタ７が配置され、燃焼室１に直接臨ませて第２の燃料インジェクタ８が配置される。
第１の燃料インジェクタ７は、主燃焼用燃料としてガソリンのような低自着火性（高オクタン価）の燃料を噴射するものである。
第２の燃料噴射弁８は、シリンダヘッド中央部から燃焼室１内に臨ませた多噴孔のホールノズルであり、圧縮行程にて、着火源用燃料として軽油のような高自着火性（低オクタン価）の燃料を燃焼室１内の複数箇所に分散させるように噴射するものである。
従って、排気行程などにて、第１の燃料インジェクタ７から燃料噴射がなされ、噴射された燃料（主燃焼用燃料）は、吸気通路５内で空気と混合し、吸気行程にて、燃焼室１内に吸入されることで、燃焼室１内にリーン状態の予混合気を形成する。
その後、圧縮行程にて、第２の燃料インジェクタ８から比較的少量の燃料噴射がなされ、噴射された燃料（着火源用燃料）は、前記予混合気中に複数の噴霧塊として点在（分散）し、自着火性が高いことから、圧縮上死点付近にて自然発火（着火）に至る。従って、燃焼室１内の複数箇所を起点として、予混合気に火炎が拡がり、主燃焼（火炎伝播燃焼）に至る。尚、図２にクランク角と熱発生率との関係で燃焼形態を示している。
図３は燃料供給系のシステム図である。
燃料タンク１０には、外部より給油される燃料が貯留されており、この燃料は、燃料ポンプ１１、１２により、第１及び第２の燃料改質器１３、１４へ供給される。
第１の燃料改質器１３は、エンジンの排気熱を利用し、改質触媒により、燃料タンク１０からの燃料の自着火性を低くする（オクタン価を高くする）ように改質を行う。
第２の燃料改質器１４は、逆に、燃料タンク１０からの燃料の自着火性を高くする（オクタン価を低くする）ように改質を行う。
第１の燃料改質器１３により得られた低自着火性の燃料は、主燃焼用燃料として、主燃焼用燃料タンク１５に貯留される。
第２の燃料改質器１４により得られた高自着火性の燃料は、着火源用燃料として、着火源用燃料タンク１６に貯留される。
主燃焼用燃料タンク１５内の主燃焼用燃料は、図示しない燃料ポンプにより、第１の燃料インジェクタ７に供給されており、第１の燃料インジェクタ７の開弁動作により、吸気通路内に噴射される。
着火源用燃料タンク１６内の着火源用燃料は、図示しない燃料ポンプにより、第２の燃料インジェクタ８に供給されており、第２の燃料インジェクタ８の開弁動作により、燃焼室内に噴射される。
前記第１及び第２の燃料インジェクタ７、８の動作（噴射量、噴射時期）は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０により制御される。
このため、ＥＣＵ２０には、図示しない各種センサから、エンジン運転条件（アクセル開度、エンジン回転数など）に関連する信号が入力されている。
また、主燃焼用燃料タンク１５及び着火源用燃料タンク１６には、それぞれ、タンク内の燃料の性状（自着火性；オクタン価）を検出する燃料性状センサ２１、２２が設けられており、それらの信号もＥＣＵ２０に入力されている。
また、ＥＣＵ２０は、第１及び第２の燃料改質器１３、１４の作動条件（改質器への燃料供給量、空気供給量、触媒温度）を制御可能であり、これらの制御により、改質度合（効率）を制御することで、改質により得られる燃料の自着火性（オクタン価）を調整可能である。
また、第１の燃料インジェクタ７に対し、これに供給される燃料中にオクタン価向上剤を添加可能なオクタン価向上剤添加装置２３が設けられていると共に、第２の燃料インジェクタ８に対し、これに供給される燃料中にセタン価向上剤を添加可能なセタン価向上剤添加装置２４が設けられている。これらの添加装置２３、２４もＥＣＵ２０により制御される。
また、エンジンには、ピストンのストローク量を変更可能とすることにより圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構（ＶＣＲ）２５が備えられている。この可変圧縮比機構２５もＥＣＵ２０により制御される（従って、ＥＣＵ２０は圧縮比を検出可能である）。
また、エンジンには、その特定周波数の振動よりノッキングを検出するノッキングセンサ２６が設けられ、その信号もＥＣＵ２０に入力されている。
本発明では、（ａ）主燃焼用燃料の自着火性、（ｂ）着火源用燃料の自着火性、（ｃ）圧縮端温度・圧力のうち、いずれか１つを基準として、他を制御するが、以下の説明では、（ｃ）の圧縮端温度・圧力を、これらと相関の高い圧縮比で代表させて、説明する。
図４は、圧縮比（圧縮端温度・圧力）と燃料自着火性との関係、具体的には、圧縮比を横軸にとって、主燃焼用燃料の自着火性の上限値（ノッキング限界値）と、着火源用燃料の自着火性の下限値（自着火限界値）とを示したもので、圧縮比が高くなるほど、これらが共に低下することを示している。
以下では、第１制御例として、（ａ）の主燃焼用燃料の自着火性を基準として制御する例、第２制御例として、（ｂ）の着火源用燃料の自着火性を基準として制御する例、第３制御例として、（ｃ）の圧縮比（圧縮端温度・圧力）を基準として制御する例の順で、説明する。
〔第１制御例〕
第１制御例は、主燃焼用燃料の自着火性に応じて、圧縮比（圧縮端温度・圧力）、及び、着火源用燃料の自着火性を制御する例である。
図５は第１制御例のフローチャートである。
Ｓ１１では、主燃焼用燃料タンク１５に設けた燃料性状センサ２１からの信号に基づいて、主燃焼用燃料の自着火性を検出する（主燃焼用燃料の自着火性検出手段）。
燃料性状センサ２１を備えない場合は、例えばアイドル運転時に、オクタン価向上剤添加装置２３を用いて、第１の燃料インジェクタ７から噴射される燃料にオクタン価向上剤を添加しつつ、ノッキングセンサ２６を用いてノッキングレベルを検出し、添加量とノッキングとの関係から、主燃焼用燃料の自着火性を判定する。
Ｓ１２では、検出された主燃焼用燃料の自着火性に応じ、図４の関係から、図６のように、圧縮比を設定し、これに基づいて可変圧縮比機構２５を制御する（圧縮比制御手段）。すなわち、圧縮比（圧縮端温度・圧力）を主燃焼でのノッキング限界値とする。
Ｓ１３では、検出された主燃焼用燃料の自着火性に応じ、図４の関係から、図６のように、着火源用燃料の自着火性を設定し、制御する（着火源用燃料の自着火性制御手段）。すなわち、着火源用燃料の自着火性をその自着火限界値とする。但し、限界値以上とすればよい。
着火源用燃料の自着火性の制御は、第２の燃料改質器１４の作動条件を変更して、改質される燃料の自着火性を調整するか、第２の燃料インジェクタ８へのセタン価向上剤添加装置２４を制御して第２の燃料インジェクタ８の噴射燃料（着火源用燃料）へのセタン価向上剤の添加量の調整によって行う。
Ｓ１４では、着火源用燃料の噴射時期、噴射量、噴射圧、噴射回数を設定する。
着火源用燃料の噴射時期は、図１３に示されるように、圧縮比と着火源用燃料の自着火性とに基づいて、圧縮比が高くなるほど、また着火源用燃料の自着火性が高くなるほど、噴射時期遅角側に、設定する。
着火源用燃料の噴射量は、図１４に示されるように、圧縮比と着火源用燃料の自着火性とに基づいて、圧縮比が高くなるほど、また着火源用燃料の自着火性が高くなるほど、噴射量少側に、設定する。
着火源用燃料の噴射圧は、図１５に示されるように、圧縮比と着火源用燃料の自着火性とに基づいて、圧縮比が高くなるほど、また着火源用燃料の自着火性が高くなるほど、噴射圧低側に、設定する。
着火源用燃料の噴射回数は、図１６に示されるように、圧縮比と着火源用燃料の自着火性とに基づいて、圧縮比が高く、着火源用燃料の自着火性が高い側で、単段（１回噴射）に、圧縮比が低く、着火源用燃料の自着火性が低い側で、多段（２回噴射など）に、設定する。
〔第２制御例〕
第２制御例は、着火源用燃料の自着火性に応じて、圧縮比（圧縮端温度・圧力）、及び、主燃焼用燃料の自着火性を制御する例である。
図７は第２制御例のフローチャートである。
Ｓ２１では、着火源用燃料タンク１６に設けた燃料性状センサ２２からの信号に基づいて、着火源用燃料の自着火性を検出する（着火源用燃料の自着火性検出手段）。
燃料性状センサ２２を備えない場合は、例えばアイドル運転時に、セタン価向上剤添加装置２４を用いて、第２の燃料インジェクタ８から噴射される燃料にセタン価向上剤を添加しつつ、ノッキングセンサ２６を用いてノッキングレベルを検出し、添加量とノッキングとの関係から、着火源用燃料の自着火性を判定する。
Ｓ２２では、検出された着火源用燃料の自着火性に応じ、図４の関係から、図８のように、主燃焼用燃料の自着火性を設定し、制御する（主燃焼用燃料の自着火性制御手段）。すなわち、主燃焼用燃料の自着火性を主燃焼でのノッキング限界値とする。
主燃焼用燃料の自着火性の制御は、第１の燃料改質器１３の作動条件を変更して、改質される燃料の自着火性を調整するか、第１の燃料インジェクタ７へのオクタン価向上剤添加装置２３を制御して第１の燃料インジェクタ７の噴射燃料（主燃焼用燃料）へのオクタン価向上剤の添加量の調整によって行う。
Ｓ２３では、検出された着火源用燃料の自着火性に応じ、図４の関係から、図８のように、圧縮比を設定し、これに基づいて可変圧縮比機構２５を制御する（圧縮比制御手段）。すなわち、着火源用燃料の自着火性、及び、主燃焼用燃料の自着火性に応じて、圧縮比（圧縮端温度・圧力）を主燃焼でのノッキング限界値とする。
尚、主燃焼用燃料の自着火性を、主燃焼でのノッキング限界値以下に調整できる場合は、図９のように、着火源用燃料の自着火性に応じて、主燃焼用燃料の自着火性を、主燃焼でのノッキング限界値以下に調整し、圧縮比（圧縮端温度・圧力）を、主燃焼用燃料の自着火性に応じたノッキング限界値としてもよい。これによれば、圧縮比を高くして、出力性能等を向上できる。
Ｓ２４では、着火源用燃料の噴射時期、噴射量、噴射圧、噴射回数を設定する（図１３〜図１６参照）。
〔第３制御例〕
第３制御例は、圧縮比（圧縮端温度・圧力）に応じて、主燃焼用燃料の自着火性、及び、着火源用燃料の自着火性を制御する例である。
図１０は第３制御例のフローチャートである。
Ｓ３１では、可変圧縮比機構２５による圧縮比を検出する（圧縮比検出手段）。圧縮比の検出は、ＥＣＵ２０による指令値をそのまま読込むようにしてもよいし、可変圧縮比機構２５中の可動部材に対し位置センサを設けるなどして直接的な検出を行うようにしてもよい。
Ｓ３２では、検出された圧縮比に応じ、図４の関係から、図１１のように、主燃焼用燃料の自着火性を設定し、制御する（主燃焼用燃料の自着火性制御手段）。すなわち、主燃焼用燃料の自着火性を主燃焼でのノッキング限界値とする。
主燃焼用燃料の自着火性の制御は、第１の燃料改質器１３の作動条件を変更して、改質される燃料の自着火性を調整するか、第１の燃料インジェクタ７へのオクタン価向上剤添加装置２３を制御して第１の燃料インジェクタ７の噴射燃料（主燃焼用燃料）へのオクタン価向上剤の添加量の調整によって行う。
Ｓ３３では、検出された圧縮比に応じ、図４の関係から、図１１のように、着火源用燃料の自着火性を設定し、制御する（着火源用燃料の自着火性制御手段）。すなわち、着火源用燃料の自着火性をその自着火限界値とする。但し、限界値以上とすればよい。
着火源用燃料の自着火性の制御は、第２の燃料改質器１４の作動条件を変更して、改質される燃料の自着火性を調整するか、第２の燃料インジェクタ８へのセタン価向上剤添加装置２４を制御して第２の燃料インジェクタ８の噴射燃料（着火源用燃料）へのセタン価向上剤の添加量の調整によって行う。
尚、主燃焼用燃料の自着火性を、主燃焼でのノッキング限界値以下に調整できる場合は、図１２のように、圧縮比に応じて、主燃焼用燃料の自着火性を、主燃焼でのノッキング限界値以下に、着火源用燃料の自着火性を、その自着火限界値（若しくは以上）に調整し、更に、圧縮比を、主燃焼用燃料の自着火性に応じたノッキング限界値としてもよい。これによれば、圧縮比を高くして、出力性能等を向上できる。
Ｓ３４では、着火源用燃料の噴射時期、噴射量、噴射圧、噴射回数を設定する（図１３〜図１６参照）。
以上のような制御により、燃料タンク１０へどのような燃料が給油されたとしても、最適な燃焼制御が可能となり、ノッキングを確実に防止できると共に、リーン燃焼限界を拡大することが可能となる。
尚、外部から燃料が給油される燃料タンク１０は１つとしたが、予め主燃焼用燃料と着火源用燃料がそれぞれ給油される燃料タンクを設けておき、それぞれの燃料タンクの燃料をそれそれの燃料改質器により任意の自着火性が得られるように改質する構成としてもよい。
また、以上の説明では、圧縮端温度・圧力を、圧縮比で代表させたが、更に吸気温を考慮するようにしてもよい。また、可変圧縮比機構を備えない場合は、吸気温から圧縮端温度・圧力を推定してもよい。
本発明の一実施形態を示す内燃機関の燃焼室周りの構成図 クランク角と熱発生率との関係で燃焼形態を示す図 燃料供給系のシステム図 圧縮比と燃料自着火性との関係を示す図 第１制御例のフローチャート 第１制御例での設定の説明図 第２制御例のフローチャート 第２制御例での設定の説明図 第２制御例での別の設定の説明図 第３制御例のフローチャート 第３制御例での設定の説明図 第３制御例での別の設定の説明図 着火源用燃料の噴射時期の設定例を示す図 着火源用燃料の噴射量の設定例を示す図 着火源用燃料の噴射圧の設定例を示す図 着火源用燃料の噴射回数の設定例を示す図
符号の説明
１ 燃焼室
３ 吸気弁
４ 排気弁
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ 第１の燃料インジェクタ
８ 第２の燃料インジェクタ
１０ 燃料タンク
１１、１２ 燃料ポンプ
１３ 第１の燃料改質器
１４ 第２の燃料改質器
１５ 主燃焼用燃料タンク
１６ 着火源用燃料タンク
２０ ＥＣＵ
２１、２２ 燃料性状センサ
２３ オクタン価向上剤添加装置
２４ セタン価向上剤添加装置
２５ 可変圧縮比機構
２６ ノッキングセンサ

Claims (11)

  1. 主燃焼用燃料として自着火性の低い燃料を予混合気として供給し、着火源用燃料として自着火性の高い燃料を前記予混合気中に供給することで着火させる内燃機関の燃焼制御装置において、
    外部から供給される燃料を、燃料のオクタン価を高くするよう改質する第１の改質器により改質して主燃焼用燃料とし、
    外部から供給される燃料を、燃料のオクタン価を低くするよう改質する第２の改質器により改質して着火源用燃料とし、
    主燃焼用燃料の自着火性に応じて、圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力、及び、前記第２の改質器による改質度合を制御することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
  2. 主燃焼用燃料の自着火性に応じて、圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力を、主燃焼でのノッキング限界値とすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  3. 主燃焼用燃料の自着火性に応じて、着火源用燃料の自着火性を、その自着火限界値以上とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  4. 主燃焼用燃料として自着火性の低い燃料を予混合気として供給し、着火源用燃料として自着火性の高い燃料を前記予混合気中に供給することで着火させる内燃機関の燃焼制御装置において、
    外部から供給される燃料を、燃料のオクタン価を高くするよう改質する第１の改質器により改質して主燃焼用燃料とし、
    外部から供給される燃料を、燃料のオクタン価を低くするよう改質する第２の改質器により改質して着火源用燃料とし、
    着火源用燃料の自着火性に応じて、圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力、及び、前記第１の改質器による改質度合を制御することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
  5. 着火源用燃料の自着火性に応じて、主燃焼用燃料の自着火性を、主燃焼でのノッキング限界値とすることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  6. 着火源用燃料の自着火性、及び、主燃焼用燃料の自着火性に応じて、圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力を、主燃焼でのノッキング限界値とすることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  7. 着火源用燃料の自着火性に応じて、主燃焼用燃料の自着火性を、主燃焼でのノッキング限界値以下に調整し、圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力を、主燃焼用燃料の自着火性に応じたノッキング限界値とすることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  8. 主燃料用燃料として自着火性の低い燃料を予混合気として供給し、着火源用燃料として自着火性の高い燃料を前記予混合気中に供給することで着火させる内燃機関の燃焼制御装置において、
    外部から供給される燃料を、燃料のオクタン価を高くするよう改質する第１の改質器により改質して主燃焼用燃料とし、
    外部から供給される燃料を、燃料のオクタン価を低くするよう改質する第２の改質器により改質して着火源用燃料とし、
    圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力に応じて、前記第１の改質器及び前記第２の改質器による改質度合を制御することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
  9. 圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力に応じて、主燃焼用燃料の自着火性を、主燃焼でのノッキング限界値とすることを特徴とする請求項８記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  10. 圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力に応じて、着火源用燃料の自着火性を、その自着火限界値以上とすることを特徴とする請求項８又は請求項９記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  11. 圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力に応じて、主燃焼用燃料の自着火性を、主燃焼でのノッキング限界値以下に、着火源用燃料の自着火性を、その自着火限界値以上に調整し、更に、圧縮上死点近傍の筒内温度又は圧力を、主燃焼用燃料の自着火性に応じたノッキング限界値とすることを特徴とする請求項８記載の内燃機関の燃焼制御装置。
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