JP2006214278A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガソリンとアルコールの混合燃料を先端が燃焼室に露出した噴射弁から噴射され得る内燃機関においてデポジットの生成防止しつつ性能を最大限に発揮すること。
【解決手段】 アルコール濃度センサ（４１）が検出した燃料のアルコール濃度における燃料噴射弁（２０）の噴射弁先端部（２１）の許容温度Tjaをマップから算出する、また混合燃料中のアロマ濃度を算出する。現在の噴射弁先端部の温度Tjを算出し、Tj＞TjaならTj＜Tjaにするのに必要な点火時期遅角量をマップから算出して遅角する。その際、アルコール濃度が所定値以上の場合には許容温度はアロマ濃度により決定される上昇補正値αを加算したものとされ、その結果、点火時期遅角量が小さくなり性能が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関に関し、特には、燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、この噴射弁先端部からガソリンとアルコールとが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関に関する。

直噴式の内燃機関がすでに実用化されている。この直噴式の内燃機関では、燃料噴射弁は燃焼室に露出した先端部から燃焼室内に直接燃料を噴射する。その結果、噴射弁先端部にデポジットが生成されることが知られている。非特許文献１はこの直噴式の内燃機関の噴射弁先端部のデポジットの生成メカニズムが示されている。そして、噴射弁先端部の温度を燃料の９０％蒸留温度より低くすることによってデポジットの発生を抑制できるということなどが開示されている。
また、特許文献１には噴射弁先端部にデポジットが生成されないように点火時期の制御や、燃料噴射の制御をおこなうことが開示されている。

一方、ガソリンにアルコールを混ぜた混合燃料を使用することも一部実用化されている。この場合、アルコールの濃度は一定でないことが多いので、このような混合燃料を使用する直噴式の内燃機関においてアルコール濃度を検出し、アルコール濃度に応じて点火時期の制御や燃料噴射の制御を変更して最適な運転性能を発揮するようにすることが特許文献２に開示されている。

ところで、アルコールは９０％蒸留温度がガソリンよりも低く、デポジットが堆積しやすい温度はガソリンよりも低い。したがって、アルコールを混ぜた混合燃料を直噴式の内燃機関で使用した場合は、ガソリンのみの場合よりも噴射弁の先端部にデポジットが生成されやすいということになる。そして、上述のように、アルコール濃度は一定でないことが多い。したがって、アルコール濃度が変化すればデポジットの生成される温度も変化する。

以上のことから、アルコール混合燃料を直噴式の機関に使用する場合は、デポジットの生成の防止に充分な配慮が必要である。上記特許文献２の装置はアルコール濃度検出装置を備え、アルコール濃度を検出することはできるが、目的は最適な運転性能を発揮することが目的であって、デポジットの生成の防止については何等配慮されていない。
そこで、本願出願人は特願２００３−４２３５３８にて、デポジットが生成されないようにアルコール濃度に応じて点火時期を変更することを出願した。しかし、その後、アルコールはアロマ分を含まないのでデポジットを生成しにくいので、９０％蒸留温度の観点でのみ点火時期を制御すると、必要以上にエンジン性能を制限する可能性があるということが判明した。

特開平９−２８７５２５号公報 実開平３−４５４４６号公報 豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー Vol.33, No.3(1989.9)

本発明は、上記問題に鑑み、燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、この噴射弁先端部からガソリンとアルコールとが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関において、噴射弁先端部にデポジットが生成されないようにしつつ、できるだけ性能を向上することを目的とする。

請求項１の発明によれば、
燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、前記噴射弁先端部からガソリンとアルコールとが混合された混合燃料が噴射され得る火花点火式内燃機関であって、
アルコールの濃度を検出するアルコール濃度検出手段と、
アルコール濃度検出手段が検出した濃度でデポジットが発生しない噴射弁先端部の許容温度を算出する許容温度算出手段と、
噴射弁先端部の温度を算出する噴射弁先端部温度算出手段と、
混合燃料中のアロマ成分の濃度を算出するアロマ濃度算出手段と、
噴射弁先端部の温度算出手段が算出した噴射弁先端部の温度が、許容温度算出手段が算出した噴射弁先端部の許容温度よりも高い場合に、燃焼温度を降下せしめる燃焼温度降下手段と、を具備し、
アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度が所定値以下の場合は、許容温度算出手段は、噴射弁先端部の許容温度を、アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度における所定割合蒸留温度にもとづいて決定し、
アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度が所定値以上の場合は、許容温度算出手段は、噴射弁先端部の許容温度を、アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度における所定割合蒸留温度にもとづいて決定される値に、前記アロマ濃度算出手段が算出したアロマ濃度に基づき決定される噴射弁先端部の許容温度の上昇補正値を加算して決定する、内燃機関が提供される
このように構成される内燃機関は、燃料噴射弁の燃焼室に露出した先端部からガソリンとアルコールとが混合された混合燃料が噴射されるが、アルコール濃度検出手段でアルコールの濃度が検出され、この検出された濃度でデポジットが発生しない噴射弁先端部の許容温度が許容温度算出手段で算出され、また、噴射弁先端部温度算出手段で噴射弁先端部の温度が算出される。そして、噴射弁先端部の温度が噴射弁先端部の許容温度よりも高い場合には、低くなるように燃焼温度降下手段で燃焼温度が低下せしめられる。
その際に、アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度が所定値以下の場合は、許容温度算出手段は、噴射弁先端部の許容温度を、アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度における所定割合蒸留温度にもとづいて決定し、アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度が所定値以上の場合は、許容温度算出手段は、噴射弁先端部の許容温度を、アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度における所定割合蒸留温度にもとづいて決定される値に、アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度におけるアルコール内の特定物質の濃度に応じて決定される補正値を加算して決定する、ようにされている。

請求項２の発明ではアロマ濃度はアルコール濃度に基づき算出され、請求項３の発明ではアロマ濃度はアロマ濃度センサで検出される。

請求項４の発明では、燃焼温度降下手段は点火時期を遅角せしめる点火時期遅角手段とされる。
請求項５の発明では噴射弁先端部の温度は運転条件とアルコール濃度から算出され、請求項６の発明では噴射弁先端部の温度は噴射弁先端部温度センサで検出される。

各請求項の発明によれば、燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、噴射弁先端部から第１燃料と第１燃料と蒸留温度の異なるアルコールとが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関においてデポジットの生成を防止しつつ性能を最大限に発揮できる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施の形態のハード構成を示す図である。エンジン１は成層燃焼可能な直噴エンジンであって、エンジン１はシリンダヘッド１ａとシリンダブロック１ｂを有し、シリンダヘッド１ａには吸気ポート２、排気ポート３、および、吸気バルブ４、排気バルブ５が配設され。シリンダブロック１ｂにはシリンダボア６が形成されており、その内部をピストン７が摺動する。ピストン７の上部には成層燃焼を可能にするための凹部８が形成されている。吸気ポート２の上流側には図示されない吸気管が接続され、排気ポート３の下流側には図示されない排気管が接続されている。

そして、点火プラグ１０が吸気バルブ４、排気バルブ５の間に取付けられ、また、燃料噴射弁２０が、噴射弁先端部２１がシリンダヘッド１ａのシリンダブロック１ｂとの境目近傍にあるように、取付けられている。
そして、ガソリンにアルコールが混入された混合燃料が燃料タンク３０から第１燃料ポンプ３１によって燃料供給パイプ３２を介してコモンレール３４に送られ、コモンレール３４から複数の燃料噴射弁２０に分配されるがコモンレ−ル３４に流入する前にアルコールポンプ３３によって昇圧される。また、コモンレール３４には噴射されなかった燃料を燃料タンク３０に還流させるための燃料還流管３５が取付けられている。

そして、本発明に関わる部品として、センサの特徴として、アルコール濃度センサ４１がコモンレール３４に取付けられ、エンジン回転数センサ４３がシリンダヘッド２またはシリンダブロック３に取付けられ、吸気管圧力センサ４４が図示しない吸気管に取付けられている。
アルコール濃度センサ４１は、すでに各種のものが開発されており、例えば、特許文献２に記載のような濃度差による屈折率差を利用する光学式のものが使用される。

電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェイスを含むマイクロコンピュータである。ＥＣＵ４０には、本発明に関して、上記のアルコール濃度センサ４１、エンジン回転数センサ４３、吸気管圧力センサ４４からの信号が入力され、点火プラグ１０の点火時期を制御する点火制御装置１１、および、燃料噴射弁２０に信号が送られる。ＥＣＵ４０はその他の一般的な制御をおこなうが省略する。

上記のようにハード構成される実施の形態の制御について説明するが、はじめにその考え方を説明する。
アルコール濃度が高くなると９０％蒸留温度が低下してデポジットの生成を促進するという傾向を有する。ところが、このデポジットのもとになるデポジット前駆物質の主成分は燃料中のアロマ成分であり、アルコールはアロマ成分を含まないので、アルコール濃度が高くなると燃料中のアロマ成分の比率が低下し、その結果、デポジットの生成を抑制するという傾向も合わせもつ。アルコール濃度がある値よりも大きくなると、このアロマ成分の低下によるデポジットの生成の抑制が、９０％蒸留温度が低下してデポジットの生成を促進を上回り、より高い燃焼温度で燃焼させることができる。
そこで、この実施の形態では、アルコール濃度が予め定めた値より小さければ燃料噴射弁先端部の許容温度Tjaはそのアルコール濃度での９０％蒸留温度に基づく値でのみ決定し、アルコール濃度が予め定めた値より大きければ、９０％蒸留温度に基づく値に追加分αを加えた値とする。許容温度Tjaの決め方が、いずれの場合でも、燃料噴射弁先端部の温度Tjが燃料噴射弁先端部の許容温度Tjaより高い場合は、低くするために必要な点火時期Sの遅角量dSをもとめ、もとめた遅角量だけ遅角させる。このようにすることによって、点火時期はデポジットが生成されないぎりぎりまで進角され、使用される燃料のもとで最大の出力を得ることができる。

図４に示すのが上記の考えにもとづく第１の実施の形態の制御のフローチャートである。まず制御はステップＳ１０１でアルコール濃度センサ２１の出力からアルコール濃度を算出しステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では予めＥＣＵ４０に記憶しておいた図５に示すマップを利用してステップＳ１０２で算出したアルコール濃度における、その時の運転状態（吸気管負圧と回転数）の、最適点火時期Sをもとめる。
ステップＳ１０３では図６のマップからその時の運転状態（吸気管負圧と回転数）の噴射弁先端部の温度Tｊを算出する。ステップＳ１０４では図７のマップからステップＳ１０１で検出した燃料のアルコール濃度における噴射弁先端部の許容温度Tjaを算出する。

ステップＳ１０５ではステップＳ１０１で測定したアルコール濃度Eが予め定めた値A以下であるか、否か、を判定する。この値Aは、図３において横軸にAで示される値で、アロマ成分による噴射弁先端部の許容温度Tjaの上昇が得られる下限の値である、すなわち、この値以上になるとアルコール濃度はあがっても噴射弁先端部の許容温度Tjaは下がらずに上昇する。

ステップＳ１０５で肯定判定された場合はステップＳ１０７において噴射弁先端部の温度Tjが噴射弁先端部の許容温度Tjaより低いか、否か、を判定する。ステップＳ１０７で肯定判定された場合はステップＳ１０８に進みステップＳ１０２で算出した点火時期Sで点火をおこなうようにし、一方、ステップＳ１０７で否定判定された場合はステップＳ１０９に進み、噴射弁先端部の温度Tjを許容温度Tja以下にするために必要な遅角量dＳを図９のマップから算出する。そして、ステップＳ１１０で点火時期S-dSで点火をおこなうようにしてリターンする。

一方、ステップＳ１０５で否定判定された場合は、ステップＳ１０６に進み、ステップＳ１０６で噴射弁先端部の許容温度上昇補正値αを図８のマップから算出する。そしてステップＳ１１１では噴射弁先端部の温度Tjが噴射弁先端部の許容温度Tjaにαを加算したものより低いか、否か、を判定する。ステップＳ１１１で肯定判定された場合はステップＳ１１２に進みステップＳ１０２で算出した点火時期Sで点火をおこなうようにし、一方、ステップＳ１１１で否定判定された場合はステップＳ１１３に進み、噴射弁先端部の温度Tjを許容温度Tja以下にするために必要な遅角量dＳを図９のマップから算出する。そして、ステップＳ１１４で点火時期S-dSで点火をおこなうようにしてリターンする。

本発明の第１の実施の形態は上記のように構成され作用し、アルコールを含む燃料が使用された場合に、燃料噴射弁にデポジットが生成されるのを防止しつつできる限りの出力を得るうことができる。

図２は、第２の実施の形態のハード構成を示す図であって、噴射弁先端部の温度Tjを測定する噴射弁先端部温度センサ４２、および、アロマ成分の濃度を検出可能なアロマ濃度センサ４６を備えている点が異なる。噴射弁先端部の温度Tjは噴射弁先端部温度センサ４２で測定され、精度よく測定できる。そして、アロマ濃度センサ４６が検出したアロマ成分の濃度に基づき噴射弁先端部の許容温度上昇補正値αを算出する。
なお、アロマ濃度センサ４６は、例えば特開２００２−１６８７８９号公報に記載されているような蛍光強度を利用したものとすることができ、その詳細な説明は省略する。

したがって、アルコールが混合されるガソリン中のアロマ成分が変わっても正しく噴射弁先端部の許容温度上昇補正値αを算出することができる。第１の実施の形態に関して図８に示したマップはある特定濃度のアロマ成分を有するガソリンにアルコールが混合された場合に適用できるものであるが、異なるアロマ成分濃度のものには適用できない。

図１０がこの第２の実施の形態のフローチャートであって、図４に示した第１の実施の形態のフローチャートに比べ、ステップＳ１０３がステップS１０３Ａとされ噴射弁先端部の温度Tjが噴射弁先端部温度センサ４２で検出されるようにされ、ステップＳ１０６がステップＳ１０６ＡとＳ１０６Ｂとされ、ステップＳ１０６Ａでアロマ濃度センサ４６によるアロマ濃度の検出をおこない、ステップＳ１０６Ｂで検出したアロマ濃度に基づき噴射弁先端部の許容温度上昇補正値αが算出される。
第２の実施の形態は上記のように構成され作用し、第１の実施の形態に比して精度が良い。

本発明は燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、この噴射弁先端部から第１燃料、と第１燃料と蒸留温度が異なるアルコールとが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関に適用することができる。特には、第１燃料がガソリンでアルコールがアルコールの場合を想定しているが、同様な組み合わせの他の混合燃料の場合にも適用することができる。

第１の実施の形態の構成を示す図である。 第２の実施の形態の構成を示す図である。 アロマ成分濃度減少（アルコール濃度上昇）による噴射弁先端部許容温度の関係を説明する図である。 第１の実施の形態の制御のフローチャートである。 第２の実施の形態の変形例のフローチャートである。 アルコール濃度に対する最適点火時期を示す図である。 アルコール濃度に対する噴射弁先端部の温度を示す図である。 アルコール濃度に対する噴射弁先端部の許容温度を示す図である。 アルコール濃度から推定した上限追加温度を示す図である。 噴射弁遅角量と噴射弁先端部の温度降下量の関係を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
１０ 点火プラグ
１１ 点火制御装置
２０ 燃料噴射弁
２１ 燃料噴射弁先端部
２２ 温度センサ
３０ 燃料タンク
３２ 第１燃料ポンプ
３３ 第２燃料ポンプ
３４ コモンレール
４０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４１ アルコール濃度センサ
４２ 噴射弁先端部温度センサ
４３ エンジン回転数センサ
４４ 吸気管圧力センサ
４５ 排気温度センサ
４６ アロマ濃度センサ

Claims (6)

1. 燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、前記噴射弁先端部からガソリンとアルコールとが混合された混合燃料が噴射され得る火花点火式内燃機関であって、
   アルコールの濃度を検出するアルコール濃度検出手段と、
   アルコール濃度検出手段が検出した濃度でデポジットが発生しない噴射弁先端部の許容温度を算出する許容温度算出手段と、
   噴射弁先端部の温度を算出する噴射弁先端部温度算出手段と、
   混合燃料中のアロマ成分の濃度を算出するアロマ濃度算出手段と、
   噴射弁先端部の温度算出手段が算出した噴射弁先端部の温度が、許容温度算出手段が算出した噴射弁先端部の許容温度よりも高い場合に、燃焼温度を降下せしめる燃焼温度降下手段と、を具備し、
   アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度が所定値以下の場合は、許容温度算出手段は、噴射弁先端部の許容温度を、アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度における所定割合蒸留温度にもとづいて決定し、
   アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度が所定値以上の場合は、許容温度算出手段は、噴射弁先端部の許容温度を、アルコール濃度検出手段が検出したアルコールの濃度における所定割合蒸留温度にもとづいて決定される値に、前記アロマ濃度算出手段が算出したアロマ濃度に基づき決定される噴射弁先端部の許容温度の上昇補正値を加算して決定する、
   ことを特徴とする内燃機関。
2. アロマ濃度をアルコール濃度に基づき算出する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
3. アロマ濃度を検出するアロマ濃度センサを具備する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 燃焼温度降下手段は点火時期を遅角せしめる点火時期遅角手段である、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
5. 噴射弁先端部の温度を運転条件とアルコール濃度に基づき算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
6. 噴射弁先端部の温度を検出する噴射弁先端部温度センサを具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。

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