JP2006144750A

JP2006144750A - 圧縮着火内燃機関

Info

Publication number: JP2006144750A
Application number: JP2004339274A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kitano; 康司北野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼時の過早着火を可及的に抑制するとともに、より良好な機関始動を可能とする。
【解決手段】圧縮行程上死点近傍の時期に燃料噴射を圧縮着火内燃機関の気筒内に行う第一燃料噴射弁３と、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に燃料噴射を気筒内または吸気ポート内に行い予混合気を形成する第二燃料噴射弁１０と、を備え、第一燃料噴射弁３と第二燃料噴射弁１０との燃料噴射によって予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、機関始動時には第二燃料噴射弁１０から高着火性燃料を噴射し、機関始動完了後には該第二燃料噴射弁１０から該高着火性燃料より着火性の低い低着火性燃料を噴射するとともに、第一燃料噴射弁３から該低着火性燃料より着火性の高い燃料を噴射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、いわゆる予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関に関する。

圧縮着火内燃機関の機関始動時において、噴射燃料の着火性によってはスモークの発生が顕著となったり、十分な機関始動が困難となったりする場合がある。そこで、圧縮着火内燃機関の状態や環境条件の変化に対応させて異種燃料の混合比率を調整し、機関燃料のセタン価を調整することで、良好な機関始動に対応しようとする技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開平９−６８０６１号公報特開平１１−３５１０９１号公報

圧縮着火内燃機関において、ＮＯｘの抑制とスモークの抑制を目的として予混合燃焼を行う場合、該圧縮着火内燃機関の運転状態が高負荷運転状態となって機関負荷および機関回転速度が上昇するに従い、過早着火が生じる可能性が高くなる。そこで、過早着火を回避し、より広い負荷領域で予混合燃焼を可能とするべく、着火性の低い燃料を使用する。

しかし、逆に、冷間始動時等の機関始動時には、機関燃料として使用される燃料の着火性が低いと、良好な機関始動が困難となり、機関始動時のエミッションの悪化にも繋がる。

本発明では、上記した問題に鑑み、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼時の過早着火を可及的に抑制するとともに、より良好な機関始動を可能とすることを目的とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、機関始動時の噴射燃料の着火性と、機関始動完了後の予混合燃焼時の噴射燃料の着火性とに着目した。これらの噴射燃料の着火性によって、圧縮着火内燃機関の機関始動の状況や予混合燃焼時の過早着火の発生が決定され得るからである。

そこで、詳細には、本発明は、圧縮行程上死点近傍の時期に燃料噴射を圧縮着火内燃機関の気筒内に行う第一燃料噴射弁と、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に燃料噴射を前記気筒内または吸気ポート内に行い予混合気を形成する第二燃料噴射弁と、を備え、前記第一燃料噴射弁と前記第二燃料噴射弁との燃料噴射によって予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、機関始動時には前記第二燃料噴射弁から高着火性燃料を噴射し、機関始動完了後には該第二燃料噴射弁から該高着火性燃料より着火性の低い低着火性燃料を噴射するとともに、前記第一燃料噴射弁から該低着火性燃料より着火性の高い燃料を噴射する。

上述の圧縮着火内燃機関においては、圧縮着火内燃機関の機関回転速度や機関負荷等で決定される運転状態に応じて予混合燃焼が行われる。従って、予混合燃焼を行うと予混合気の過早着火が生じる場合には、予混合燃焼ではなくいわゆる拡散燃焼を行うようにしてもよい。

ここで、圧縮着火内燃機関において予混合燃焼を行う場合は、燃料噴射を圧縮行程上死点近傍の時期、即ち通常燃焼時の燃料噴射時期より早い時期に行うことで、吸気と燃料がより混合された予混合気を形成する。これによって、ＮＯｘやスモークの抑制を図る。このとき、先ず第二燃料噴射弁から燃料噴射を行うことで予混合気を形成し、その後第一燃料噴射弁から燃料噴射を行うことで予混合気に中に火種を形成し、燃料の燃焼を行う。

ここで、第二燃料噴射弁から噴射された燃料によって形成される予混合気の着火性が比較的よい場合、予混合気の過早着火が生じる虞がある。一方で、機関始動時には、早期の機関始動を行うために、予混合気の着火性は比較的よい方が好ましい。そこで、本発明に係る圧縮着火内燃機関においては、機関始動時と機関始動完了後とで、着火性の異なる燃料を第二燃料噴射弁から噴射することとした。

即ち、機関始動時は良好な機関始動を得るため第二燃料噴射弁から着火性のよい高着火性燃料を噴射し、機関始動完了後予混合燃焼を行う場合には、予混合気の過早着火をより確実に抑制するために低着火性燃料を噴射する。ここで、圧縮着火内燃機関における噴射燃料の着火性は、その燃料の有するセタン価に大きく影響される。一般に、セタン価が大きくなるに従い、燃料の着火性はよくなる。そこで、換言すると、本発明に係る圧縮着火内燃機関においては、機関始動時に第二燃料噴射弁から噴射される燃料のセタン価は、機関始動完了後の予混合燃焼時に噴射される燃料のセタン価より高く変更される。

このように、機関始動時と機関始動完了後の予混合燃焼時とで、噴射燃料の着火性を切り替えることで、予混合燃焼時の過早着火を可及的に抑制するとともに、より良好な機関始動が可能となる。

尚、機関始動完了後の予混合燃焼時における第一燃料噴射弁からの噴射燃料の着火性は、低着火性燃料より着火性がよい燃料であればよく、必ずしも高着火性燃料と同じである必要はない。また、機関始動時における第一燃料噴射弁からの燃料噴射は必ずしも必要ではなく、圧縮着火内燃機関の運転条件等を考慮し、第二燃料噴射弁による噴射燃料が十分に着火できない場合等に追加的に燃料噴射を行うようにしてもよい。

ここで、上記の圧縮着火内燃機関において、一の機関燃料の燃料性状を変化させて複数種類の燃料性状を有する燃料を、前記第一燃料噴射弁および前記第二燃料噴射弁から噴射される燃料として生成する燃料生成装置を、更に備えるようにしてもよい。

この燃料生成装置によって、機関始動時と機関始動完了後の予混合燃焼時とにおける第一燃料噴射弁および第二燃料噴射弁からの複数種類の着火性に関係する燃料性状を有する噴射燃料を一の機関燃料から生成することが可能となるため、機関燃料の準備が容易となる。

予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼時の過早着火を可及的に抑制するとともに、より良好な機関始動が可能となる。

ここで、本発明に係る圧縮着火内燃機関の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明が適用される圧縮着火内燃機関（以下、単に「内燃機関」という。）１の概略構成を表すブロック図である。内燃機関１は、燃焼室９内に直接燃料を噴射するこ
とが可能な第一燃料噴射弁３と第二燃料噴射弁１０とを備えている。尚、第一燃料噴射弁３は、気筒２の頂部の中央部近傍のシリンダヘッド１１に設けられ、第二燃料噴射弁１０は、吸気弁５側のシリンダヘッド１１に設けられている。

燃焼室９内において、ピストン４が往復運動を行う。従って、内燃機関１においては、ピストン４、気筒２およびシリンダヘッド１１の内壁面によって、燃焼室９が画定される。また、内燃機関１では吸気通路が吸気ポート７を介して燃焼室９に接続される。同様に、内燃機関１では排気通路が排気ポート８を介して、燃焼室９に接続される。ここで、吸気ポート７と燃焼室９との間には吸気弁５が、排気ポート８と燃焼室９との間には排気弁６が設けられている。

ここで、第一燃料噴射弁３と第二燃料噴射弁１０に繋がる燃料供給系について説明する。内燃機関１には、セタン価の異なる二種類の機関燃料を貯留する高セタン価燃料タンク１４と低セタン価燃料タンク１５が設けられている。高セタン価燃料タンク１４と低セタン価燃料タンク１５にそれぞれ貯留されている燃料については、高セタン価燃料タンク１４内の燃料のセタン価が、低セタン価燃料タンク１５内の燃料のセタン価より相対的に高ければよい。本実施例において具体的には、低セタン価燃料タンク１５内にはガソリンが貯留され、高セタン価燃料タンク１４内には軽油が貯留されている。

高セタン価燃料タンク１４から第一燃料噴射弁３まで燃料供給路１７で繋がっており、その途中に高セタン価燃料タンク１４内の燃料を吐出するポンプ１２が設けられている。また、低セタン価燃料タンク１５から第二燃料噴射弁１０まで燃料供給路１８で繋がっており、その途中に低セタン価燃料タンク１５内の燃料を吐出するポンプ１３が設けられている。ここで、燃料供給路１７と燃料供給路１８とを繋ぐ連絡路１９が設けられ、連絡路１９と燃料供給路１８との結合部には、燃料の流れを切り替える切替弁１６が設けられている。

切替弁１６は、第二燃料噴射弁１０に供給される燃料を、燃料供給路１８を流れる低セタン価燃料タンク１５内の燃料と、燃料供給路１７および連絡路１９を流れる高セタン価燃料タンク１４内の燃料との何れかに切り替えることが可能である。この切替弁１６による第二燃料噴射弁１０への供給燃料の切替制御については後述する。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ここで、第一燃料噴射弁３、第二燃料噴射弁１０は、ＥＣＵ２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、第一燃料噴射弁３、第二燃料噴射弁１０からの燃料噴射時期および燃料噴射量が、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に応じて、噴射弁毎に制御され、以て内燃機関１において予混合燃焼や、拡散燃焼が行われる。具体的には、第一燃料噴射弁３は圧縮行程上死点近傍の時期に燃料噴射を行い、該噴射燃料は拡散燃焼に供される。また、第二燃料噴射弁１０は圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に燃料噴射を行い、該噴射燃料は主に予混合燃焼に供される。また、切替弁１６の切替も、ＥＣＵ２０からの指令に従って制御される。

更に、クランクポジションセンサ２２がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や、該機関回転速度とギア比等から内燃機関１が搭載されている車両の車両速度等を算出する。また、内燃機関１のイグニッションスイッチ２１がＥＣＵ２０と電気的に接続され
ており、ＥＣＵ２０は内燃機関１に対して機関始動の指令が入ったか否かを判定する。

ここで、内燃機関１において、機関始動時の切替弁１６による第二燃料噴射弁１０への供給燃料の切替制御について、図２に基づいて説明する。図２には、内燃機関１の機関始動時に行われる機関始動制御のフローチャートが示される。尚、本実施例における機関始動制御は、ＥＣＵ２０によって一定のサイクルで繰り返し実行されるルーチンである。

Ｓ１０１では、内燃機関１が機関停止状態にあるか、即ち、内燃機関１において燃料の燃焼が行われていないかが確認される。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、内燃機関１に対してイグニッションスイッチ２１から機関始動指令が入ったか否かが判定される。機関始動指令が入ったと判定されると、内燃機関１で機関始動が行われるべくＳ１０３へ進み、機関始動指令が入っていないと判定されると本制御を終了する。

Ｓ１０３では、機関始動を行うべく、第二燃料噴射弁１０から燃料噴射が行われる。このとき、切替弁１６によって第二燃料噴射弁１０への供給燃料は、高セタン価燃料タンク１４内の燃料となる。即ち、切替弁１６によって、高セタン価燃料タンク１４、燃料供給路１７、連絡路１９を経た高セタン価燃料が第二燃料噴射弁１０に供給され、機関始動のために燃焼される。尚、Ｓ１０３においては、第一燃料噴射弁３からの燃料噴射は行われない。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。

Ｓ１０４では、内燃機関１の機関始動が完了したか否かが判定される。具体的には、クランクポジションセンサ２２からの信号に基づいて、内燃機関１の機関回転速度が基準となる回転速度まで上昇した場合、機関始動が完了したと判定する。機関始動が完了したと判定されるとＳ１０５へ進み、機関始動がまだ完了していないと判定されると再びＳ１０３以降の処理が再び行われる。

Ｓ１０５では、機関始動完了後の燃料噴射が行われる。具体的には、第二燃料噴射弁１０から低セタン価燃料タンク１５内の燃料噴射が行われ、第一燃料噴射弁３からは高セタン価燃料タンク１４内の燃料噴射が行われる。即ち、切替弁１６によって、高セタン価燃料タンク１４、燃料供給路１７を経た高セタン価燃料が第一燃料噴射弁３に供給され、且つ低セタン価燃料タンク１５、燃料供給路１８を経た低セタン価燃料が第二燃料噴射弁１０に供給され、予混合燃焼が行われる。Ｓ１０５の処理後、本制御を終了する。

本制御によると、第二燃料噴射弁１０から比較的着火性の高い燃料が噴射されることで機関始動が行われるため、機関始動がより良好に行われ得る。また、機関始動完了後は、第二燃料噴射弁１０から比較的着火性の低い燃料が噴射されて予混合気が形成されるため、過早着火の発生を抑制することが可能となる。

次に、本発明に係る圧縮着火内燃機関の別の実施例について、図３に基づいて説明する。尚、本実施例における圧縮着火内燃機関において、実施例１に係る圧縮着火内燃機関（内燃機関）の構成要素と同一の構成要素については、同一の参照番号を付することでその詳細な説明は省略する。

本実施例に係る内燃機関１においては、機関燃料の貯留は一つの燃料タンク３１によって行われる。そして燃料タンク３１は、燃料分離装置３０と接続されている。燃料分離装置３０は、機関燃料に含まれる燃料成分の蒸留温度の違いを利用して、機関燃料を燃料性状の異なる二種類の燃料に分離、生成する装置である。そして、分離された燃料性状の異
なる燃料のうち、セタン価が高く着火性の高い燃料がポンプ１２によって燃料供給路１７に吐出され、セタン価が低く着火性の低い燃料がポンプ１３によって燃料供給路１８に吐出される。そして、切替弁１６によって第二燃料噴射弁１０に供給される燃料が切り替えられる。

従って、図２に示す機関始動制御も、本実施例に係る内燃機関１に適用することが可能である。このように構成される内燃機関１では、一種類の機関燃料を準備するだけで、良好な機関始動と予混合燃焼時の過早着火の抑制を両立することが可能となる。

また、燃料分離装置３０に代えて、燃料性状の改質を行う改質装置を用いて、着火性の異なる二種類の燃料を生成してもよい。

本発明の第一の実施例に係る圧縮着火内燃機関の概略構成を表す図である。本発明の第一の実施例に係る圧縮着火内燃機関において、機関始動時に行われる機関始動制御に関するフローチャートである。本発明の第二の実施例に係る圧縮着火内燃機関の概略構成を表す図である。

符号の説明

１・・・・圧縮着火内燃機関（内燃機関）
３・・・・第一燃料噴射弁
４・・・・ピストン
１０・・・・第二燃料噴射弁
１２・・・・ポンプ
１３・・・・ポンプ
１４・・・・高セタン価燃料タンク
１５・・・・低セタン価燃料タンク
１６・・・・切替弁
１７・・・・燃料供給路
１８・・・・燃料供給路
１９・・・・連絡路
２０・・・・ＥＣＵ
３０・・・・燃料分離装置
３１・・・・燃料タンク

Claims

圧縮行程上死点近傍の時期に燃料噴射を圧縮着火内燃機関の気筒内に行う第一燃料噴射弁と、
圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に燃料噴射を前記気筒内または吸気ポート内に行い予混合気を形成する第二燃料噴射弁と、を備え、
前記第一燃料噴射弁と前記第二燃料噴射弁との燃料噴射によって予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、
機関始動時には前記第二燃料噴射弁から高着火性燃料を噴射し、機関始動完了後には該第二燃料噴射弁から該高着火性燃料より着火性の低い低着火性燃料を噴射するとともに、前記第一燃料噴射弁から該低着火性燃料より着火性の高い燃料を噴射することを特徴とする圧縮着火内燃機関。
一の機関燃料の燃料性状を変化させて複数種類の燃料性状を有する燃料を、前記第一燃料噴射弁および前記第二燃料噴射弁から噴射される燃料として生成する燃料生成装置を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関。