JP2008190478A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ガソリンとアルコールとをそれぞれ適正に燃焼する内燃機関を提供する。
【解決手段】本発明は、アルコールを貯留する燃料タンク４０と、燃料タンク内の燃料のアルコール濃度を検出する手段４１と、アルコール濃度に基づき燃料タンク内の燃料種別を判定する手段１８と、判定された燃料に応じた成層燃焼を制御する制御手段１８とを備えた内燃機関において、内燃機関の燃焼室内に気体流動を生じさせる手段３０を備え、制御手段は、成層燃焼時のアルコールの燃料噴射量をガソリンのの発熱量と同じに補正して燃料噴射するとともに、気体流動手段を制御して燃焼室内に気体流動を生じさせ、噴射されたアルコールを点火プラグ近傍に移動する内燃機関である。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、特に燃料としてガソリンまたはアルコールのいずれかを選択可能とした内燃機関の改良に関する。

従来、アルコールを燃料として用いる内燃機関において、燃料としてのアルコール濃度に応じてエンジン制御を異ならせることが行われている（特許文献１参照のこと）。このエンジン制御では、１００％ガソリン使用時のフィードバック制御定数のマップと１００％アルコール使用時のフィードバック制御定数のマップとを設け、ガソリンとアルコールの混合燃料使用時には、２つのマップ値から直線近似でフィードバック制御定数を算出し、この算出値をアルコール混合割合に応じた重みつきで補正するようにしている。
特開平５−１９５８３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、燃料がガソリンからアルコールに切り換わった場合に、燃料の発熱量を同一とすると、燃圧が等しい場合には、燃料噴射時間が長くなり、噴射完了時期を同じにすると噴射開始時期が早まり、点火プラグ回りを燃料が通過、拡散してしまい、適正なリタード燃焼となる混合気を形成することができず、燃焼が安定しないことになる。

したがって、本発明は、燃料としてガソリンとアルコールのいずれを用いても適正な燃料を達成する混合気を燃焼室内に形成する内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、単位量当たりの発熱量がガソリンより低いアルコールを貯留する燃料タンクと、前記燃料タンク内の燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出手段と、アルコール濃度に基づき前記燃料タンク内の燃料種別を判定する燃料種別判定手段と、判定された燃料に応じた成層燃焼を制御する制御手段とを備えた内燃機関において、前記内燃機関の燃焼室内に気体流動を生じさせる気体流動手段を備え、前記制御手段は、成層燃焼時のアルコールの燃料噴射量をガソリンの燃料噴射量の発熱量と同等となるように補正して燃料噴射するとともに、前記気体流動手段を制御して前記燃焼室内に気体流動を生じさせ、噴射されたアルコールを点火プラグ近傍に移動することを特徴とする内燃機関である。

この発明によれば、噴射されたアルコールを気体流動によって確実に点火プラグ近傍に導き、アルコールを燃料とした成層燃焼を行うことができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１は、複数種類の燃料のいずれかを選択または混合して、例えばガソリンとアルコールとのいずれかを選択または混合して燃料として用いる筒内直接噴射式エンジンのシステムを説明するための概略図である。このエンジンシステムでの燃料の選択は、共通の燃料タンク４０内に、例えばガソリンスタンド等での燃料補給時に乗員の要望によりいずれかの燃料が選択される。従って、このエンジンシステムに用いられるエンジンや燃料配管等は、いずれの燃料にも対応できるように、耐食性等を考慮した材料により構成される。

吸気絞り弁１により調量される空気は、吸気コレクタ２に蓄えられた後、吸気マニホールド３を介して各気筒の燃焼室５に導入される。燃料は各気筒の吸気ポート４に配置された燃料噴射弁１０より、エアフローメータ１７により検出される吸入空気流量と、クランク角センサ１２、１３からの信号に基づいて演算されるエンジン回転速度とに応じ、所定のタイミングで吸気ポート内に、間欠的に噴射供給される。

燃焼室５内に噴射された燃料は、吸気と混合して混合気を作り、この混合気は吸気弁１５を閉じることで燃焼室５内に閉じ込められ、ピストン６の上昇によって圧縮され、点火プラグ１４により着火されて燃焼する。この燃焼によるガス圧がピストン６を押し下げ、このピストン６の往復運動は、クランクシャフト７の回転運動へと変換される。燃焼後のガス（排気）は排気弁１６が開いたとき排気通路８へと排出される。

排気通路８には三元触媒９を備え、三元触媒９は排気に含まれるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に効率よく除去する。このために、エンジンコントローラ１８では運転条件に応じて燃料噴射弁１０からの基本燃料噴射量を定めると共に、三元触媒９の上流に設けたＯ₂センサ（不図示）からの信号に基づいて空燃比をフィードバック制御する。

吸気絞り弁１はスロットルモータ１９により駆動される。運転者が要求するトルクはアクセルペダル２０の踏み込み量（アクセル開度）に現れるので、エンジンコントローラ１８ではアクセルセンサ２１からの信号に基づいて目標トルクを定め、この目標トルクを実現するための目標空気量を定め、この目標空気量が得られるようにスロットルモータ１９を介して吸気絞り弁１の開度を制御する。エンジンコントローラ１８では、設定した目標空気量の積算値または流量センサ等を用いて検出した実際の空気量の積算値から三元触媒９の温度を算出する。なお、三元触媒９の温度は、温度センサにより検出するようにしていもよい。

また、主に燃費向上のため、ＥＧＲ装置（ＥＧＲ通路２５、ＥＧＲ弁２６、アクチュエータ２７からなる）とＶＴＣ機構（バルブタイミングコントロール機構）２９を備えている。さらに、図２に示すように、吸気マニホールド３内に燃焼室５内にタンブル流を発生させる、気体流動手段としてのタンブルコントロールバルブ（以下、ＴＣＶ）３０を設置し、ＴＣＶ３０はエンジンコントローラ１８により開閉制御される。ＴＣＶ３０は、吸気マニホールド３内の流路面積を可変とするバルブであり、流路面積を減少する（ＴＣＶ３０を閉じる）ことで、燃焼室内に流入する吸気の流速を早めて燃焼室内にタンブル流を発生されるものである。

燃焼室５内に燃料を噴射する複数の燃料噴射孔を備えた燃料噴射弁１０と、燃料噴射弁１０に燃料を供給する燃料タンク４０とを接続する燃料配管途中には、供給される燃料中のアルコール濃度を検出する濃度センサ４１を設け、この濃度センサ４１の検出信号はエンジンコントローラ１８に送られ、エンジンコントローラ１８は、検出値に基づいて燃料種類を判別し、後述する燃料噴射弁１０の燃料噴射制御を実施する。

このように構成されたエンジンシステムにおいて、燃料噴射弁１０に燃料を供給する燃料タンク４０への燃料注入時に燃料がガソリンからアルコールへと切り換わった時のエンジン始動時燃料噴射制御について図２を用いて説明する。

図２は、燃料としてガソリンを用いた場合の燃料噴射タイミングとその噴射量、及びガソリンより発熱量の低いアルコールを用いた場合の燃料噴射タイミングとその噴射量とを示す図である。ここで燃料噴射タイミングは、１回の燃焼で２回燃料を噴射する、いわゆる２度噴きを行い、１回目はＢＤＣ近傍の圧縮工程で噴射され、２回目はＴＤＣ後の膨張工程で噴射される。２回目の燃料噴射後に点火プラグ１４により燃料に点火される。したがって、燃料点火時期としては、リタード制御されている。これは、エンジン始動時に三元触媒９の活性化を早めるためである。

図において、エンジンの部分断面図は燃焼室内の燃料の動きを模式的に示しているが、図中の２つの燃料の集まり（燃料群）は、同時に噴射された、複孔式の燃料噴射弁１０の最上部の噴孔から噴射された燃料（図中イ）と最下部の噴孔から噴射された燃料（図中ロ）を示したものである。

燃料タンク内の燃料をガソリンからアルコールへと切り換えた場合には、アルコールの単位量当たりの発熱量がガソリンに比べ低いため、アルコールの燃料量をガソリンの比して増量補正する必要がある。図２の１）と２）に示すように、単位時間当たりの噴射量（燃圧）を同じとした場合、例えば１回目の燃料噴射量をクランク角度（°）で示すと、ガソリン量を６°とすると同等の発熱量を得るためにはアルコール量は８．４°となり、同様に２回目ではガソリン４°に対してアルコール５．６°となる。ここで、燃料噴射タイミングは、２回目の燃料噴射終了時が同じとなるように噴射時間を制御する。

１）はガソリン噴射の場合を示し、ガソリン噴射の場合には、１回目の噴射で燃焼室内がリーン均質化して、２回目の噴射で燃料が点火プラグ１４回りに集まっており、点火され、これが火種となり１回目の燃料で均質化した混合気も燃焼する。

２）から４）はアルコール噴射の場合を示し、２）のアルコール噴射の場合には、１、２回目の噴射がそれぞれガソリン噴射の１、２回目と同じ発熱量となるよう燃料噴射時間（燃料噴射量）を増大する。１回目の噴射でアルコールの２つの燃料群イ、ロが燃焼室内で一体化し、２回目に噴射されるアルコールの多くは、点火プラグ１４の点火タイミングで点火プラグ１４を通過し、点火プラグ回りはリーン状態となっており、燃焼不良となってしまう恐れがある。

３）のアルコール噴射の場合は、２回目のアルコール噴射量をガソリンと同じ噴射量として１回目の噴射量のみを増量して全体としての発熱量を調整した場合である。この場合には、点火時に２回目噴射のアルコールの多くが点火プラグ回りにガソリンと同じ燃料量だけ存在するものの、発熱量が低いためリーン状態となり、燃焼不良となる可能性がある。なお、図に示す１回目に噴射された燃料は、イ、ロに分離した状態から２回目に燃料が噴射された時点ではイ、ロの燃料群が一体化した状態で存在する。

４）のアルコール噴射が本発明の噴射方法を示しており、２）、３）での燃料点火時の燃焼不良を解消するために１回目に噴射した燃料を気体流動により点火時に点火プラグ１４回りに移動させ、２回目に噴射したアルコールと合わせて点火を確実にする場合を示す。

これは、ＴＣＶ３０を閉じて１回目の燃料噴射時（燃料噴射量はガソリンと同じ発熱量となる噴射量）に燃焼室内に吸気によるタンブル流を生じさせておき、このタンブル流に燃料を乗せて、燃料点火時に点火プラグ近傍に燃料を移動させ、２回目に噴射した燃料（燃料噴射量はガソリンと同じ発熱量となる噴射量）と混合させるものである。したがって、例えば、２回目に発熱量を同一とするため、ガソリンより増量したアルコールを噴射して点火プラグ回りがリーン状態となった場合にも、燃料点火時にタンブル流に乗った１回目噴射の燃料が点火プラグ１４回りに供給されて１回目と２回目の燃料が混在して、点火プラグ回りでの混合気の空燃比が適性空燃比となり、安定した燃焼状態とすることができる。また、ピストン６の上面は、タンブル流の流動を維持しやすい凹面形状に形成される。

なお、図２においては、ガソリンからアルコールへの燃料切り替え時に、燃圧を一定として噴射時間を長くすることで噴射燃料量を増量することとしたが、まず燃圧を高めて対応し、燃圧で対応しきれない場合に噴射時間を長くするようにしても良い。

次に、図３、４に示すフローチャートを用いてエンジン始動時の燃料の燃焼制御について説明する。図３、４に示す制御は、エンジンコントローラ１８により実施される。

まず図３は、エンジン停止時に使用されている燃料を記憶するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１で燃料タンク４０内の燃料種別を判別するためアルコール濃度を検出する。アルコール濃度は、燃料噴射弁１０に燃料を供給する燃料配管に設けられたアルコール濃度センサ４１により検出する。ステップＳ２では、エンジンをストップするかどうかを、例えばイグニッションスイッチのオン／オフ切換から判定し、エンジンストップの場合にはステップＳ３でアルコール濃度を記憶して制御を終了し、エンジンをストップしない場合にはそのままアルコール濃度を記憶することなく制御を終える。このようにしてエンジン停止時にこれまで使用してきた燃料のアルコール濃度を記憶しておき、次回エンジン始動の制御に用いる。

図４は、エンジン始動時に実施される燃料の燃焼制御のフローチャートであり、以下に説明する。

ステップＳ１１では、図３で記憶した燃料のアルコール濃度を読み込み、ステップＳ１２で、読み込んだアルコール濃度に基づいて燃焼制御を選択する。燃焼制御は、アルコール濃度が、０％の場合、０％を越えＸ％未満の場合、およびＸ％以上の場合に区別されて制御される。ここで、判定基準となるアルコール濃度Ｘ％とは、ＴＣＶ３０が「開」ではエンジン始動時のリタード成層燃焼が不可能となる限界のアルコール濃度であり、予め実験的に求め、記憶しておく。

アルコール濃度が０％の場合には燃料がガソリンであると判断して、ステップＳ１３に進み、ＴＣＶ３０を開き、タンブル流を生じることなく、通常のエンジン始動時のリタード燃焼制御を実施し、ステップＳ１７に進み、演算したガソリンでの燃料噴射量の燃料を噴射する。続くステップＳ１８でエアフローメータ１７により検出される吸入空気量の積算値から三元触媒９の温度を推定し、推定した温度が所定温度以上であれば、三元触媒９が活性状態に達したと判断し、この制御を終了する。

アルコール濃度が０％を越えＸ％未満の場合には、ガソリンにアルコールが混入している状態のため、燃料トータルとしての発熱量が低下し、燃料の噴射量をガソリンに比して増量補正する。そこで、アルコール濃度が０％を越えＸ％未満と判断された場合には、ステップＳ１４に進み、始動時クランキングを開始して、ステップＳ１５でアルコール濃度に応じて燃料噴射量の補正を行う。燃料噴射量の補正は、１００％ガソリンの場合の燃焼時発熱量と同等となるようにアルコールを含んだ混合燃料の燃料量を補正する。ステップＳ１６で補正した燃料噴射量に基づいて燃料噴射弁１０の開口時間を制御するためのパルス幅を演算し、続くステップＳ１７で燃料を噴射する。

アルコール濃度が０％を越えＸ％未満の場合には、燃料はアルコールとガソリンとが混入されているがガソリン濃度が高いため、点火時に点火プラグ１４近傍の混合気は点火可能であり、燃料量の補正のみを行えば良い。

アルコール濃度がＸ％以上の場合には、ステップＳ１９に進み、始動時クランキングを開始して、ステップＳ２０でＴＣＶ３０を閉じ、燃焼室５内にタンブル流を発生させ、ステップＳ１５へ進み、燃料量補正して燃料噴射を行う。この場合には、燃料中にＸ％以上のアルコールを含んでいるため、前述のように、燃料量の補正のみでは、点火時の燃焼に燃焼不良が生じやすい。このため、ＴＣＶ３０を閉じて燃焼室５内にタンブル流を発生させて、燃焼室内の燃料群、つまり１回目に噴射した燃料群をタンブル流に乗せて点火プラグ１４近傍に移動させ、点火プラグ１４周辺の混合気の空燃比を適正な空燃比として確実に点火、燃焼するように制御する。

図５は、本発明の制御内容を示すタイミングチャートである。

まず、時刻ｔ１でスタータスイッチがオンになり、エンジンがクランキングを開始する。時刻ｔ２でエンジンの点火時期制御が開始され、通常の点火時期にて１回目のアルコールの噴射が実施される。この燃料噴射時に、ＴＣＶ３０は触媒温度が低いため閉じて、タンブル流を発生させる。

続いて点火時期としてリタード制御となる時刻ｔ３で２回目の燃料噴射が実施され、燃焼室５内では１回目に噴射された燃料がタンブル流に乗って点火プラグ近傍に移動し、２回目に噴射されたアルコールと混合して点火プラグ近傍に理論空燃比の混合気を形成し、成層燃焼を実施する。時刻ｔ３でエンジンの完爆後にスタータスイッチがオフにされる。

時刻ｔ２での燃料噴射後、エンジンでの燃焼が開始されるとともに触媒の温度が徐々に上昇を開始する。そして時刻ｔ４で触媒の温度が活性状態となる所定の温度に達した時に、ＴＣＶ３０を開いてタンブル流の発生を中止し、燃料噴射の回数も２回から１回に減少させ、点火時期制御をリタード制御から通常制御へと切り換える。

これまで説明してきたように本発明では、単位量当たりの発熱量がガソリンより低いアルコールを貯留する燃料タンク４０と、前記燃料タンク内の燃料のアルコール濃度を検出する濃度センサ（濃度検出手段）４１と、アルコール濃度に基づき前記燃料タンク内の燃料種別を判定するエンジンコントローラ（燃料種別判定手段）１８と、判定された燃料に応じた成層燃焼を制御するエンジンコントローラ（制御手段）１８とを備えた内燃機関において、前記内燃機関の燃焼室内に気体流動を生じさせるＴＣＶ（気体流動手段）３０を備え、前記エンジンコントローラ１８は、成層燃焼時のアルコールの燃料噴射量をガソリンの燃料噴射量の発熱量と同等となるように補正して燃料噴射するとともに、前記ＴＣＶ３０を制御して前記燃焼室内に気体流動を生じさせ、噴射されたアルコールを点火プラグ近傍に移動することとしたので、噴射されたアルコールを気体流動によって確実に点火プラグ近傍に導き、アルコールを燃料とした成層燃焼を行うことができる。

以上、この発明は、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

本発明の一実施形態を示す自動車用エンジンのシステム図。。 本発明の概念を説明する図。 エンジン停止時に使用されている燃料を記憶するためのフローチャート図。 エンジン始動時に実施される燃料の燃焼制御のフローチャート図。 本発明を説明するタイミングチャート。

符号の説明

１：吸気絞り弁
２：吸気コレクタ
３：吸気マニホールド
４：吸気ポート
５：燃焼室
６：ピストン
７：クランクシャフト
８：排気通路
９：三元触媒
１０：燃料噴射弁
１２、１３：クランク角センサ
１４：点火プラグ
１６：排気弁
１７：エアフローメータ
１８：エンジンコントローラ
２３：ＥＧＲ通路
２４：ＥＧＲ制御弁
３０：ＴＣＶ
４０：燃料タンク
４１：濃度センサ

Claims (6)

1. 単位量当たりの発熱量がガソリンより低いアルコールを貯留する燃料タンクと、
   前記燃料タンク内の燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出手段と、
   アルコール濃度に基づき前記燃料タンク内の燃料種別を判定する燃料種別判定手段と、
   判定された燃料に応じた成層燃焼を制御する制御手段とを備えた内燃機関において、
   前記内燃機関の燃焼室内に気体流動を生じさせる気体流動手段を備え、
   前記制御手段は、成層燃焼時のアルコールの燃料噴射量をガソリンの燃料噴射量の発熱量と同等となるように補正して燃料噴射するとともに、前記気体流動手段を制御して前記燃焼室内に気体流動を生じさせ、噴射されたアルコールを点火プラグ近傍に移動することを特徴とする内燃機関。
2. 前記制御手段は、検出されたアルコール濃度が所定濃度以上の場合に、前記気体流動手段により気体流動を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記所定濃度は、前記気体流動手段が気体流動を生じさせない状態で、成層燃焼が可能な上限のアルコール濃度であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記内燃機関の排気管に排気を浄化する触媒を設け、
   前記制御手段は、エンジン始動時に前記補正した燃料噴射量のアルコールを噴射するとともに、前記気体流動手段を制御して噴射されたアルコールを前記点火プラグ近傍に移動して燃焼し、前記触媒を暖機することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
5. 前記燃焼室内に燃料を複数回に分けて噴射する燃料噴射手段を設け、
   前記制御手段は、前記燃料噴射手段を制御して所定量のアルコールを２回に分割して噴射し、前記気体流動手段を制御して１回目のアルコールを点火プラグ近傍に移動することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 噴射される２回目のアルコール量は、燃料がガソリンの場合の発熱量と同じとなるアルコール量とすることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。

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