JP2001271672A

JP2001271672A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2001271672A
Application number: JP2000093020A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Nihei; 裕昭仁平
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2001-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】ノッキング防止のために気筒内へアンチノッ
ク剤を供給するアンチノック剤供給手段を備える内燃機
関において、アンチノック剤を気筒内へ供給不可能な時
にもノッキングの発生を防止可能とすることである。【解決手段】気筒内へ供給された吸気量に応じて気筒
内へ燃料を供給するための燃料供給手段１１と、気筒内
へアンチノック剤を供給するためのアンチノック剤供給
手段１４と、アンチノック剤供給手段による気筒内への
アンチノック剤の供給が不可能な時には気筒内へ供給さ
れる吸気量が制限値を越えないようにする吸気量制限手
段１２とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関、特に、
気筒内へ水等のアンチノック剤を供給するアンチノック
剤供給手段を備える内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】水等のアンチノック剤を気筒内へ供給し
て、ノッキングの発生を防止する内燃機関が公知であ
る。特開平６−８１７４３号公報には、このようなアン
チノック剤と燃料とを単一の噴射弁から噴射する内燃機
関が開示されている。この内燃機関の噴射弁は、機関運
転状態毎に噴射弁へ供給された必要アンチノック剤量と
必要燃料量とを同時に噴射するものであり、噴射弁へ供
給されるアンチノック剤量が減少すると、その分、噴射
弁へ供給される燃料量が増加する構造を有しているため
に、アンチノック剤供給系に異常等が発生した場合に
は、噴射弁から必要燃料量を越える量の燃料が噴射され
ないように制御される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、気筒内への
アンチノック剤の供給によりノッキング防止ができるこ
とを前提として、良好な燃焼を実現するために、高圧縮
比又は点火時期進角等の設定がされている。それによ
り、前述の従来技術によって、アンチノック剤供給系に
異常等が発生して気筒内へアンチノック剤が供給されな
いにも係わらず気筒内へ機関運転状態毎の必要燃料量が
供給されれば、高圧縮比又は点火時期進角等によってノ
ッキングが発生することとなる。

【０００４】従って、本発明の目的は、ノッキング防止
のために気筒内へアンチノック剤を供給するアンチノッ
ク剤供給手段を備える内燃機関において、アンチノック
剤を気筒内へ供給不可能な時にもノッキングの発生を防
止可能とすることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による請求項１に
記載の内燃機関は、気筒内へ供給された吸気量に応じて
気筒内へ燃料を供給するための燃料供給手段と、気筒内
へアンチノック剤を供給するためのアンチノック剤供給
手段と、前記アンチノック剤供給手段による気筒内への
アンチノック剤の供給が不可能な時には気筒内へ供給さ
れる吸気量が制限値を越えないようにする吸気量制限手
段とを具備することを特徴とする。

【０００６】また、本発明による請求項２に記載の内燃
機関は、請求項１に記載の内燃機関において、前記制限
値は機関回転数毎に定められていることを特徴とする。

【０００７】また、本発明による請求項３に記載の内燃
機関は、請求項１又は２に記載の内燃機関において、前
記吸気量制限手段は、アンチノック剤の残量が所定値以
下となった時に前記吸気量が前記制限値以下である場合
には、アンチノック剤が無くなって前記アンチノック剤
供給手段による気筒内へのアンチノック剤の供給が不可
能となるに先立って前記吸気量が前記制限値を越えない
ようにすることを特徴とする。

【０００８】また、本発明による請求項４に記載の内燃
機関は、請求項１又は２に記載の内燃機関において、前
記吸気量制限手段は、アンチノック剤の残量が所定値と
なった時に前記吸気量が前記制限値を越えている場合に
は前記吸気量を前記制限値以下に徐々に減少させ、アン
チノック剤が無くなって前記アンチノック剤供給手段に
よる気筒内へのアンチノック剤の供給が不可能となるに
先立って前記吸気量が前記制限値を越えないようにする
ことを特徴とする。

【０００９】また、本発明による請求項５に記載の内燃
機関は、請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関に
おいて、前記吸気量制限手段は、機関吸気系に配置され
た吸気量制御弁であることを特徴とする。

【００１０】また、本発明による請求項６に記載の内燃
機関は、請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関に
おいて、前記吸気量制限手段は、吸気弁の開弁期間及び
リフト量の少なくとも一方を可変とする可変動弁機構で
あることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明による内燃機関の実
施形態を示す概略図である。同図において、１００は機
関本体、１は吸気ポート、２は排気ポートである。吸気
ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁４
を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピスト
ン、６は点火プラグである。吸気ポート１には吸気管７
が接続され、各気筒の吸気管７は単一のサージタンク８
へ通じており、サージタンク８の上流側には、大気へ通
じる吸気通路９が接続されている。一方、排気ポート２
には排気管１０が接続され、各気筒の排気管１０は合流
した後に触媒コンバータ（図示せず）を介して大気へ通
じている。

【００１２】１１は各吸気管７に取り付けられた燃料噴
射弁であり、サージタンク８上流側の吸気通路９にはス
ロットル弁１２が配置されている。スロットル弁１２
は、アクセルペダルに機械的に連結されているものでは
なく、例えば、ステップモータ１３等によってアクセル
ペダルの踏み込み量に係わらずに開度制御可能なもので
ある。１４はサージタンク８内を介して気筒内へ水又は
アルコール等のアンチノック剤を供給するためのアンチ
ノック剤噴射弁である。１５はアンチノック剤噴射弁１
４へアンチノック剤を供給するアンチノック剤タンクで
あり、１６はアンチノック剤タンク１５内のアンチノッ
ク剤の残量を検出する残量検出器１６である。

【００１３】また、本実施形態の内燃機関は、吸気弁３
の開弁時期及び閉弁時期と、開弁最大リフト量とを無段
階に可変とするように、吸気弁３を電磁式又は油圧式ア
クチュエータ１７によって駆動するようになっている。
同様に、排気弁４も電磁式又は油圧式アクチュエータ１
８によって駆動される。

【００１４】２０は、スロットル弁１２のためのステッ
プモータ１３と、吸気弁３及び排気弁４のための二つの
アクチュエータ１７，１８とを制御するための制御装置
であり、機関回転数を検出するための回転センサ（図示
せず）、機関負荷としてアクセルペダルの踏み込み量を
検出するアクセルペダルストロークセンサ（図示せ
ず）、及び機関温度として冷却水温を検出する水温セン
サ（図示せず）等の機関運転状態を把握するためのセン
サに加えて、前述した残量検出器１６と、アンチノック
剤噴射弁１４内に配置されて、実際にアンチノック剤が
噴射されていることを検出する噴射検出センサとが接続
されている。

【００１５】本実施形態の内燃機関は、前述の各センサ
によって把握された現在の機関運転状態に基づき必要量
の吸気が気筒内へ導入されるように、ステップモータ１
３を介してスロットル弁１２を開度制御し、各気筒の吸
気行程中又はそれ以前において、実際に気筒内へ導入さ
れる吸気量に対して機関運転状態毎の所望空燃比が実現
されるように必要量の燃料を燃料噴射弁１１によって噴
射する。それにより、吸気行程において必要量の燃料が
気筒内へ供給され、圧縮行程末期までに気筒内に形成さ
れた均質混合気によって燃焼が実施される。

【００１６】図２は機関回転数と機関一行程当りの吸入
空気量との関係を示しており、実線Ａは各機関回転数に
対する機関一行程当りの最大吸入空気量を示している。
本実施形態の内燃機関は、必要に応じて、吸気行程以前
に、又は、好ましくは吸気行程中にアンチノック剤噴射
弁１４によってアンチノック剤を噴射し、気筒内へ向か
う吸気流によってアンチノック剤を気筒内へ供給するよ
うになっている。こうして気筒内へ供給されたアンチノ
ック剤により、ノッキングの発生を防止することができ
る。それにより、圧縮比を高める又は点火時期を進角す
る等によって効率を向上させることが可能である。

【００１７】ノッキングは各機関回転数における低負荷
側では発生することはなく、不必要なアンチノック剤の
消費を避けるために、各機関回転数において図２におけ
る実線Ｂより低負荷側の運転領域ではアンチノック剤の
噴射を中止するようになっている。また、この運転領域
は、燃料噴射量も比較的少なく、気筒内温度はそれほど
高くないために、アンチノック剤を供給しても、その気
化が不十分で液状アンチノック剤がシリンダボアに付着
し、エンジンオイルを希釈化する等の問題を発生するこ
とがある。さらに、気筒内温度を必要以上に低下させる
と、燃料が十分に気化しない問題も発生する。低負荷側
運転領域でのアンチノック剤の供給を中止することによ
り、このような問題の発生を防止することができる。

【００１８】こうして図２における実線ＡとＢとの間の
高負荷側運転領域では、アンチノック剤が気筒内へ供給
される。アンチノック剤の供給量は常に所定量としても
良いが、機関負荷が高いほどノッキングが発生しやすく
なるために、機関負荷が高いほどアンチノック剤の供給
量を増加するようにしても良い。

【００１９】このように、必要時にアンチノック剤が気
筒内へ供給されれば、良好な燃焼を実現することができ
る。しかしながら、アンチノック剤噴射弁１４又はアン
チノック剤タンク１５又は両者の間の供給管等に異常が
発生して、又は、アンチノック剤タンク１６内のアンチ
ノック剤が無くなって、高負荷側運転領域においてアン
チノック剤が気筒内へ供給されないと、高圧縮比化又は
点火時期進角によって、ほぼ確実にノッキングが発生す
ることとなる。高負荷側運転領域でも、機関回転数又は
機関負荷がそれほど高くない時（図２の点線Ｃの下側領
域）には、ノッキングを回避するための公知の自動点火
時期制御によって、点火時期を僅かに遅角することでノ
ッキングを回避することができる。しかしながら、機関
回転数又は機関負荷が高い時（図２の点線Ｃの上側領
域）には、ノッキング回避に点火時期を大幅に遅角する
必要があり、排気ガス温度が異常に上昇して触媒コンバ
ータを破損する等の問題が発生する。

【００２０】本実施形態では、このような問題の発生を
防止するために、図３に示す第一フローチャートに従っ
てスロットル弁１２の開度を制御するようになってい
る。先ず、ステップ１０１において、現在の運転状態が
図２の二つの実線Ａ，Ｂの間の高負荷側運転領域である
か否かが判断される。この判断が否定される時には、前
述したようにアンチノック剤の供給は行われないため
に、そのまま終了する。一方、高負荷側運転領域である
時には、ステップ１０２に進み、アンチノック剤噴射弁
１４内の噴射検出センサによって実際にアンチノック剤
が噴射されているか否かが判断される。アンチノック剤
噴射に問題がない時にはそのまま終了する。しかしなが
ら、高負荷側運転領域であるにも係わらずにアンチノッ
ク剤が噴射されていない時には１０２’に進んで噴射を
禁止するとともにステップ１０３に進んで、スロットル
弁１２の上限開度制御が実施され、この上限開度制御は
アンチノック剤の正常な噴射が再開されるまで続けられ
る。

【００２１】この上限開度制御は、各機関回転数で気筒
内へ供給される吸気量を制限し、吸入空気量を図２に示
す点線Ｃまでに抑制することにより、点火時期を大幅に
遅角することなくノッキングを回避することを可能とす
る。図４において、実線Ｅは機関回転数に対するスロッ
トル弁１２の上限開度を示している。低回転側ほど、時
間当りの行程数が少ない為、スロットル弁を通過する時
間当りの空気量も少なくなる為に、機関一行程当りの吸
入空気量を制限する為には、点線Ｄに示す最大開度に対
して大きくスロットル弁開度を制限する必要がある。

【００２２】このようなスロットル弁の上限開度制御に
よって、運転者は、意図する機関出力が発生せずに、違
和感を感じることとなるために、警告ランプ等によって
運転者へアンチノック剤噴射異常を知らせることが好ま
しい。

【００２３】もし、アンチノック剤噴射に問題が発生し
た時にスロットル弁が上限開度を越えている場合には、
第一フローチャートではスロットル弁は直ちに上限開度
まで閉弁される。それにより、機関出力が急激に低下
し、運転者は大きなトルクショックを感じることとな
る。アンチノック剤噴射弁１４又はアンチノック剤タン
ク１５又は両者の間の供給管等に異常が発生した場合に
は、このようなトルクショックも止むを得ない。しかし
ながら、アンチノック剤タンク１６内のアンチノック剤
が無くなる場合には、予測が可能であり、このようなト
ルクショックを防止することが可能である。

【００２４】図５は、このための第二フローチャートで
ある。先ず、ステップ２０１において、残量検出器１６
によって検出されるアンチノック剤タンク１５内のアン
チノック剤残量が所定量Ｑ以下であるか否かが判断され
る。この判断が否定される時には、アンチノック剤タン
ク１５内のアンチノック剤残量は十分であり、そのまま
終了する。しかしながら、アンチノック剤タンク１５内
のアンチノック剤残量が少ない時には、ステップ２０１
における判断が肯定されてステップ２０２へ進み、スロ
ットル弁が図４の上限開度以下であるか否かが判断され
る。この判断が否定される時には、そのまま終了する
が、肯定される時にはステップ２０３において前述同様
なスロットル弁の上限開度制御が実施される。本フロー
チャートにおける上限開度制御は、アンチノック剤の残
量がゼロとなるまで続けられ、その後は第一フローチャ
ートによってスロットル弁の上限開度制御が実施され
る。

【００２５】アンチノック剤タンク１６内のアンチノッ
ク剤残量が少ない時には、比較的短期間でアンチノック
剤タンク１６内にはアンチノック剤が無くなり、アンチ
ノック剤の噴射が不可能となる。本フローチャートで
は、この比較的短期間のうちに、スロットル弁が上限開
度以下となった時には、それ以降において、スロットル
弁が上限開度を越えないように制御され、それにより、
アンチノック剤が噴射されずにノッキングが発生するこ
とを回避するために大きなトルクショックが発生するこ
とはない。

【００２６】また、図６は、第二フローチャートと同様
な目的を有する第三フローチャートである。第二フロー
チャートとの違いについてのみ以下に説明する。本フロ
ーチャートでは、先ず、ステップ３０１においてアンチ
ノック剤残量が所定量Ｑとなった時にステップ３０２に
おいてスロットル弁の開度の判断がされ、スロットル弁
が上限開度を越えている時には、ステップ３０４に進ん
で、スロットル弁を上限開度まで徐々に閉弁し、その後
に、ステップ３０３においてスロットル弁の上限開度制
御が実施される。本フローチャートにおける上限開度制
御も、アンチノック剤の残量がゼロとなるまで続けら
れ、その後は第一フローチャートによってスロットル弁
の上限開度制御が実施される。こうして、アンチノック
剤残量が所定量Ｑまで減少した時に、もし、スロットル
弁が上限開度を越えているならば、スロットル弁を上限
開度まで徐々に閉弁して機関出力を徐々に減少させるた
めに、それにより、アンチノック剤が噴射されずにノッ
キングが発生することを回避するために大きなトルクシ
ョックが発生することはない。また、本フローチャート
では、アンチノック剤の残量が少なくなった時にスロッ
トル弁がいかなる開度であっても大きなトルクショック
を発生させることなく上限開度制御が可能であるため
に、所定量Ｑを第二フローチャートに比較して少なくし
て、スロットル弁の上限開度制御の機会を減少させるこ
とが可能である。また、第二及び第三フローチャートに
おいても、アンチノック剤の残量が所定量Ｑとなった時
には、運転者は、意図する機関出力が発生せずに、違和
感を感じることとなるために、警告ランプ等によって運
転者へアンチノック剤噴射異常を知らせることが好まし
い。尚、残量によって、開度制御を行う場合は、残量０
まで噴射を実施せず噴射検出センサを用いずに、所定量
Ｑとなり、上限開度制御を開始した所で噴射禁止として
も良い。この場合、補給等により、残量が所定量Ｑ以上
になった際に噴射禁止の解除を行う。

【００２７】これまで説明したスロットル弁の上限開度
制御は、各機関回転数において、アンチノック剤の供給
がなくても僅かな点火時期の遅角等によってノッキング
が発生しない機関負荷（図２の点線Ｃ）以下となるよう
に吸気量を制限するものであり、運転者が要求する機関
出力に可能な限り近い機関出力を発生させることができ
る。しかしながら、これは、本発明を限定するものでは
なく、例えば、各機関回転数において、点火時期を遅角
することなくノッキングが発生しない機関負荷以下とな
るように吸気量を制限しても良く、また、機関回転数に
係わらずに、点火時期を僅かに遅角して又は遅角するこ
となくノッキングが発生しない所定機関負荷以下となる
ように吸気量を制限しても良い。

【００２８】このような吸気量制限は、サージタンク８
の上流側に配置されたスロットル弁を含み機関吸気系の
いずれかの位置に配置された吸気量制御弁によって実施
可能である。このような吸気量制御弁がスロットル弁と
は別に設けられる場合には、スロットル弁はアクセルペ
ダルによって機械的に連結駆動されても良い。

【００２９】また、本実施形態の内燃機関は、アクチュ
エータ１７によって吸気弁３の開弁時期及び閉弁時期、
すなわち、開弁期間と、開弁時の最大のリフト量とが無
段階に可変となっている。それにより、スロットル弁１
２は、機関運転状態に応じて開度制御され、又は、アク
セルペダルによって機械的に連結駆動されるようにし、
第一及び第二フローチャートにおいて、スロットル弁の
上限開度制御に代えて、吸気弁３の開弁期間又はリフト
量を制御することによって、各機関回転数において、ア
ンチノック剤の供給がなくても僅かな点火時期の遅角等
によってノッキングが発生しない機関負荷（図２の点線
Ｃ）以下となるように吸気量を制限するようにしても良
い。

【００３０】図７は、例えば、吸気弁３のリフト量を四
段階に変化させた場合の各機関回転数に対する吸気量を
示している。もちろん、吸気弁３の開弁期間を変化させ
ても同様である。実線Ｆはリフト量が通常である場合で
あり、各機関回転数における吸気量は、ほぼ図２の最大
機関負荷に対応する値となる。実線Ｇ、実線Ｈ、及び実
線Ｉは、この順序で、リフト量が徐々に小さくされた場
合であり、リフト量を小さくするほど、高回転側での吸
気量の減少が顕著となる。

【００３１】点線Ｋは、図２におけるアンチノック剤の
供給がない時の制限負荷（点線Ｃ）に対応する制限吸気
量であり、すなわち、各機関回転数において、この制限
吸気量を下回るように吸気弁のリフト量を選択すれば良
い。もちろん、図７において最も小さなリフト量（実線
Ｉ）を選択すれば、いずれの機関回転数においても制限
吸気量を上回ることはなく、すなわち、二つのカムを切
換えて使用するような可変動弁機構を使用して通常のリ
フト量からこの最小リフト量への二段階変化でも、ノッ
キングの発生を回避することができる。しかしながら、
低回転側を除き大幅な吸気量不足となる。それにより、
リフト量の多段階変化によって、機関回転数が高くなる
ほど、吸気弁のリフト量を大きく選択することが好まし
い。それにより、運転者が要求する機関出力に近い機関
出力を発生させることができる。

【００３２】本実施形態では、アクチュエータ１７によ
って吸気弁３のリフト量を無段階に変化させることがで
きるために、各機関回転数において制限吸気量が実現さ
れるリフト量を選択することにより、スロットル弁の上
限開度制御と同様な吸気量の制限を実現可能である。も
ちろん、第三フローチャートにおいて、スロットル弁を
上限開度まで徐々に閉弁することに代えて、吸気弁３の
リフト量を徐々に減少させることも可能である。

【００３３】本実施形態において、燃料噴射弁１１は吸
気管７に配置されているが、もちろん、気筒内へ直接的
に燃料を噴射しても良い。また、アンチノック剤噴射弁
１４も気筒内へ直接的にアンチノック剤を噴射しても良
い。

【００３４】

【発明の効果】このように本発明による内燃機関によれ
ば、気筒内へ供給された吸気量に応じて気筒内へ燃料を
供給するための燃料供給手段と、気筒内へアンチノック
剤を供給するためのアンチノック剤供給手段とを具備
し、アンチノック剤供給手段による気筒内へのアンチノ
ック剤の供給が不可能な時には、吸気量制限手段によっ
て気筒内へ供給される吸気量が制限値を越えないように
されるために、機関出力を確実に低下させてノッキング
の発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による内燃機関の実施形態を示す概略図
である。

【図２】機関回転数と機関負荷との関係を示すグラフで
ある。

【図３】スロットル弁の上限開度制御のための第一フロ
ーチャートである。

【図４】機関回転数とスロットル弁開度との関係を示す
グラフである。

【図５】スロットル弁の上限開度制御のための第二フロ
ーチャートである。

【図６】スロットル弁の上限開度制御のための第三フロ
ーチャートである。

【図７】機関回転数と吸気量との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

３…吸気弁４…排気弁７…吸気管８…サージタンク１１…燃料噴射弁１２…スロットル弁１４…アンチノック剤噴射弁１５…アンチノック剤タンク２０…制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 41/22 ３１０Ｆ０２Ｄ 41/22 ３１０Ｂ３２０３２０ 45/00 ３４５ 45/00 ３４５ＢＦ０２Ｍ 25/14 Ｆ０２Ｍ 25/14 ＡＦターム(参考） 3G065 AA04 CA18 DA05 DA06 EA08 EA09 FA06 FA08 GA00 GA09 GA10 GA46 HA19 JA04 KA02 KA36 3G084 BA05 BA23 CA04 DA38 EA11 EB22 FA00 FA10 FA20 FA33 3G092 AA01 AA05 AA11 AB02 AB14 AB17 BA01 DA01 DA02 DA03 DC01 EA02 EA09 EC09 FA16 GA06 HB00Z HE01Z HE08Z HF08Z 3G301 HA01 JA22 KA09 LA00 LA01 LA03 LA07 NC02 NE06 NE08 NE19 PB00Z PE01Z PE08Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気筒内へ供給された吸気量に応じて気筒
内へ燃料を供給するための燃料供給手段と、気筒内へア
ンチノック剤を供給するためのアンチノック剤供給手段
と、前記アンチノック剤供給手段による気筒内へのアン
チノック剤の供給が不可能な時には気筒内へ供給される
吸気量が制限値を越えないようにする吸気量制限手段と
を具備することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】前記制限値は機関回転数毎に定められて
いることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】前記吸気量制限手段は、アンチノック剤
の残量が所定値以下となった時に前記吸気量が前記制限
値以下である場合には、アンチノック剤が無くなって前
記アンチノック剤供給手段による気筒内へのアンチノッ
ク剤の供給が不可能となるに先立って前記吸気量が前記
制限値を越えないようにすることを特徴とする請求項１
又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】前記吸気量制限手段は、アンチノック剤
の残量が所定値となった時に前記吸気量が前記制限値を
越えている場合には前記吸気量を前記制限値以下に徐々
に減少させ、アンチノック剤が無くなって前記アンチノ
ック剤供給手段による気筒内へのアンチノック剤の供給
が不可能となるに先立って前記吸気量が前記制限値を越
えないようにすることを特徴とする請求項１又は２に記
載の内燃機関。
【請求項５】前記吸気量制限手段は、機関吸気系に配
置された吸気量制御弁であることを特徴とする請求項１
から４のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項６】前記吸気量制限手段は、吸気弁の開弁期
間及びリフト量の少なくとも一方を可変とする可変動弁
機構であることを特徴とする請求項１から４のいずれか
に記載の内燃機関。