JP2009191734A - 内燃機関の燃焼制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 オクタン価の異なる２種の燃料を用い、機関運転条件に応じて最適な燃焼を行う。
【解決手段】 燃焼室１の上面中央部には点火プラグ１６が設けられている。また、燃焼室１の上面中央部に設置された燃料噴射弁１５から高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とを各別に供給して、燃焼室１内の異なる部位（中心側と周辺側）に高オクタン価燃料と低オクタン価燃料を分布させると共に、その分布位置を機関負荷に応じて入れ替える。具体的には、低負荷時は、燃焼室中心側に高オクタン価燃料を分布させ、燃焼室周辺側に低オクタン価燃料を分布させることで、高オクタン価燃料から着火（燃焼）を開始させる一方、高負荷時は、燃焼室中心側に低オクタン価燃料を分布させ、燃焼室周辺側に高オクタン価燃料を分布させることで、低オクタン価燃料から着火（燃焼）を開始させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オクタン価の異なる２種の燃料を燃焼室内に供給して燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置及び制御方法に関する。

従来の内燃機関の燃焼制御装置としては、特許文献１記載の発明がある。これは、燃焼室内に低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とをそれぞれ噴射する燃料噴射弁を備え、圧縮行程において、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とが燃焼室内で実質的に互いに重ならないように燃料噴射を行うことにより、燃焼室内の混合気濃度が過濃となることを防ぎつつ、オクタン価の異なる燃料分布を生成することによって、圧縮自己着火燃焼における安定的な着火と窒素酸化物やスモーク生成の抑制とを両立させようとしている。
特開２００５−１３９９４５号公報

しかしながら、特許文献１記載の発明では、下記の問題点が残る。
オクタン価の異なる２種の燃料を実質的に重なりあわないように分布させた場合に、燃料の着火は低オクタン価燃料より開始される。つまり圧縮自己着火燃焼を行うことになる。オクタン価の異なる複数の燃料を独立に供給して燃焼させることにより、着火は容易となるが、燃焼の制御という観点では、従来の圧縮自己着火燃焼と同様の困難があり、運転条件が変化した場合、特に機関負荷が高い場合の燃焼制御が難しい点は改善されない。つまり、機関負荷によらず低オクタン価燃料から着火を行うように制御するだけでは、幅広い運転条件において高い熱効率と出力とを両立するのは困難である。

本発明は、上記の問題点に鑑みて、オクタン価の異なる２種の燃料を燃焼室内に供給して燃焼させる場合に、低燃費と高出力とを両立させることを目的とする。

このため、本発明では、オクタン価の異なる２種の燃料を燃焼室内に供給して燃焼させる場合に、前記２種の燃料を、燃焼室内の着火を開始させる着火トリガ装置の着火位置を含む部位と、前記着火位置を含まない部位とに、それぞれ成層化して分布させると共に、機関運転条件に応じて前記２種の燃料の分布位置を入れ替える。

本発明によれば、機関運転条件に応じて前記２種の燃料の分布位置を入れ替えることで、機関運転条件に適したオクタン価の燃料部位から燃焼を開始させることができ、最適な燃焼を実現できる。

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は本発明の第１の実施形態を示す内燃機関の構成図である。
シリンダヘッドとシリンダブロックとピストンとによって、燃焼室（主燃焼室）１が形成され、燃焼室１は、吸気弁３を介して吸気ポート５と、排気弁４を介して排気ポート６と、それぞれ連通している。吸気弁３及び排気弁４は、それぞれ吸気弁用カム７及び排気弁用カム８によって開閉駆動される。また、ピストン冠面にはキャビティ９が形成されている。

一方、外部より供給され、燃料タンク１１に貯留された燃料は、図示しない燃料ポンプを介して、燃料の改質を行う改質装置１２に送られる。
改質装置１２では、白金系触媒などを利用した場合、脱水素環化反応などにより、供給燃料のオクタン価を高くすることが可能である。また、改質装置１２では、ロジウム触媒などを利用した場合、部分酸化反応などにより、供給燃料のオクタン価を低くすることが可能である。

この改質装置１２にて得られた高オクタン価燃料（高ＲＯＮ燃料）と、低オクタン価燃料（低ＲＯＮ燃料）とはそれぞれ、図示しない高圧燃料ポンプを備えた各燃料用通路（高オクタン価燃料用通路１３、低オクタン価燃料用通路１４）を介して、燃焼室１の上面中央部に設けられた燃料噴射弁（燃料噴射手段）１５に供給される。

尚、本実施形態において、燃料噴射弁１５に供給される高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料は、外部からの供給燃料を改質することにより得ているが、これに限るものではなく、例えば、燃料タンクを２つ備え、これらに高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とを予め貯留しておいてもよい。

燃料噴射弁１５は、高オクタン価燃料と、低オクタン価燃料とを各別に燃焼室１内に直接噴射することが可能である。また、燃料噴射弁１５は、ピストンキャビティ９を指向し、放射状に燃料を噴射する。

ここで、燃料噴射弁１５の詳細について、図２に基づいて説明する。
図２は、燃料噴射弁１５の構造の一例を示す説明図である。図２（ａ）は、燃料噴射弁１５のノズル先端部の断面拡大図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ矢視図である。

燃料噴射弁１５のノズル内部には、その軸方向（上下方向）に延び、互いに平行な、高オクタン価燃料用流路１５１と、低オクタン価燃料用流路１５２とが設けられている。
高オクタン価燃料用流路１５１は、ノズルの中央付近に設けられており、高オクタン価燃料用流路１５１内には、図示しないソレノイドにより軸方向（上下方向）に移動可能な針弁１５３が備えられている。また、燃料噴射弁１５のノズル先端中央部には、高オクタン価燃料用噴孔１５４が複数（６個）設けられており、この高オクタン価燃料用噴孔１５４は、高オクタン価燃料用流路１５１の下端部に接続されている。

針弁１５３は、その軸方向の移動（上下動）により、高オクタン価燃料用流路１５１と、高オクタン価燃料用噴孔１５４との接続部を開閉することが可能であると共に、高オクタン価燃料の噴射量を調節することも可能である。高オクタン価燃料用流路１５１から高オクタン価燃料用噴孔１５４へと流出した高オクタン価燃料は、ピストンキャビティ９に向けて放射状に噴射される。

一方、低オクタン価燃料用流路１５２は、ノズルの周辺付近に設けられており、低オクタン価燃料用流路１５２内には、図示しないソレノイドにより軸方向（上下方向）に移動可能な針弁１５５が備えられている。また、低オクタン価燃料用流路１５２の下端部に接続して、低オクタン価燃料用流路１５６が設けられている。更に、燃料噴射弁１５のノズル先端周辺部には、低オクタン価燃料用噴孔１５７が複数（６個）設けられており、これら低オクタン価燃料用噴孔１５７はそれぞれ、水平環状に設けられている低オクタン価燃料用流路１５８を介して、低オクタン価燃料用流路１５６の下端部に接続されている。

針弁１５５は、その軸方向の移動（上下動）により、低オクタン価燃料用流路１５２と、低オクタン価燃料用流路１５６との接続部を開閉することが可能であると共に、低オクタン価燃料の噴射量を調節することも可能である。低オクタン価燃料用流路１５２から、低オクタン価燃料用流路１５６及び低オクタン価燃料用流路１５８を介して、低オクタン価燃料用噴孔１５７へと流出した低オクタン価燃料は、ピストンキャビティ９に向けて放射状に噴射される。

このようにして、燃料噴射弁１５は、高オクタン価燃料と、低オクタン価燃料とを各別に燃焼室１内に供給することが可能である。尚、本実施形態において、燃料噴射弁１５のノズル内部には、その中央側に高オクタン価燃料用流路１５１を設けると共に、周辺側に低オクタン価燃料用流路１５２を設けているが、この他、中央側に低オクタン価燃料用流路を設けると共に、周辺側に高オクタン価燃料用流路を設けてもよい。

また、燃焼室１の上面中央部には、着火トリガ装置として、点火プラグ１６が燃焼室１内に臨んで設けられている。尚、本実施形態では着火トリガ装置として点火プラグ１６を用いているが、この他、燃焼室１内に低オクタン価（高セタン価）の燃料を直接噴射する燃料噴射弁を設置し、圧縮上死点付近にて、この燃料噴射弁から低オクタン価燃料を噴射し、自己着火させてもよい。

また、吸気ポート５には、燃焼室１内にスワール流動を生成可能なスワール流動生成手段として、スワール制御弁１７が設けられている。尚、１気筒に２本ずつ吸気ポートが設けられている場合は、一方の吸気ポートに、ポート断面を開閉可能なスワール制御弁１７を設ける。また、１気筒に１本ずつ吸気ポートが設けられている場合は、この吸気ポートに、ポート断面の半分を開閉可能なスワール制御弁１７を設ける。

更に、図示しないエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）には、クランク角センサ、冷却水温センサ、アクセル開度センサなどの信号が入力され、それらを基に、燃料噴射弁１５、点火プラグ１６などの制御を行う。

次に、第１の実施形態における燃焼室内の混合気分布の制御方法について、図３〜図６に基づいて説明する。
図３は、本実施形態における混合気分布制御を示すフローチャートである。また、図４は、本実施形態における低負荷時の混合気分布の形成方法を示す図であり、図５は、本実施形態おける高負荷時の混合気分布の形成方法を示す図である。また、図６は、本実施形態における混合気の分布位置とオクタン価（ＲＯＮ）との関係を示す図である。

ＥＣＵは、図３のステップＳ１にて、クランク角センサ、冷却水温センサ、アクセル開度センサなどの入力信号に基づき、機関運転条件を検出し、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、ステップＳ１にて検出された機関運転条件に基づき、予め記憶されたマップなどを用いて、燃料噴射弁１５より噴射される高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の目標噴射量を各々算出し、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、機関負荷が低負荷であるか、高負荷であるかの判定を行う。この判定において、低負荷であると判定された場合は、ステップＳ４に進んで低負荷時の混合気分布制御を行う。

ステップＳ４にて行われる低負荷時の混合気分布制御では、図４に示す低負荷時の混合気分布の形成方法により、高オクタン価燃料を燃焼室中心側（これを燃焼室内側という）に分布させ、低オクタン価燃料を燃焼室周辺側（これを燃焼室外側という）に分布させる。以下、図４に基づいて、低負荷時の混合気分布の形成方法を説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、圧縮行程の早期に、燃焼室１の上面中央部に設置した燃料噴射弁１５から、ピストンキャビティ９に向けて、低オクタン価燃料を噴射する。このときピストンが下位位置にあるので、放射状に噴射された低オクタン価燃料は、ピストンキャビティ９を含むピストン冠面に衝突した後、燃焼室外側に向かって拡散する。このようにして、低オクタン価燃料の混合気を燃焼室外側に分布させる。

次に、図４（ｂ）に示すように、圧縮行程の後半に、燃焼室１の上面中央部に設置した燃料噴射弁１５から、ピストンキャビティ９に向けて、高オクタン価燃料を噴射し、高オクタン価燃料の混合気をピストンキャビティ９の上空に分布させる。このようにして、高オクタン価燃料の混合気を燃焼室内側に分布させる。

以上のように、低負荷時の混合気分布制御では、高オクタン価燃料を点火プラグのある燃焼室内側に分布させ、低オクタン価燃料を点火プラグのない燃焼室外側に分布させる（図６（ａ）参照）。このように混合気分布を形成し、燃焼室内側にある点火プラグで燃焼室内側の高オクタン価燃料に点火することにより、低負荷時には、高オクタン価燃料から着火が開始される。

一方、図３のステップＳ３にて、高負荷であると判定された場合は、ステップＳ５に進んで高負荷時の混合気分布制御を行う。
ステップＳ５にて行われる高負荷時の混合気分布制御では、図５に示す高負荷時の混合気分布の形成方法により、低オクタン価燃料を燃焼室内側に分布させ、高オクタン価燃料を燃焼室外側に分布させる。以下、図５に基づいて、高負荷時の混合気分布の形成方法を説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、圧縮行程の早期に、燃焼室１の上面中央部に設置した燃料噴射弁１５から、ピストンキャビティ９に向けて、高オクタン価燃料を放射状に噴射する。このときピストンが下位位置にあるので、放射状に噴射された高オクタン価燃料は、ピストンキャビティ９を含むピストン冠面に衝突した後、燃焼室外側に向かって拡散する。このようにして、高オクタン価燃料の混合気を燃焼室外側に分布させる。

次に、図５（ｂ）に示すように、圧縮行程の後半に、燃焼室１の上面中央部に設置した燃料噴射弁１５から、ピストンキャビティ９に向けて、低オクタン価燃料を噴射し、低オクタン価燃料の混合気をピストンキャビティ９の上空に分布させる。このようにして、低オクタン価燃料の混合気を燃焼室内側に分布させる。

以上のように、高負荷時の混合気分布制御では、低オクタン価燃料を点火プラグのある燃焼室内側に分布させ、高オクタン価燃料を点火プラグのない燃焼室外側に分布させる（図６（ｂ）参照）。このように混合気分布を形成し、燃焼室内側にある点火プラグで燃焼室内側の低オクタン価燃料に点火することにより、高負荷時には、低オクタン価燃料から着火が開始される。

本実施形態によれば、オクタン価の異なる２種の燃料を燃焼室１内に供給して燃焼させる内燃機関において、燃料の着火を開始させる着火トリガ装置（点火プラグ１６）を有し、前記２種の燃料を、燃焼室１内の着火トリガ装置（点火プラグ１６）による着火位置を含む部位と、着火トリガ装置（点火プラグ１６）による着火位置を含まない部位とに、それぞれ成層化して分布させると共に、機関運転条件に応じて前記２種の燃料の分布位置を入れ替えるので、機関運転条件に応じて、適したオクタン価の部位から燃焼を開始することができる。

そして、低負荷時は、オクタン価の高い燃料を着火トリガ装置（点火プラグ１６）による着火位置に分布させることで、オクタン価の高い燃料から着火を開始させ、高負荷時は、オクタン価の低い燃料を着火トリガ装置（点火プラグ１６）による着火位置に分布させることで、オクタン価の低い燃料から着火を開始させることにより、次のような効果が得られる。

低負荷時は、高オクタン価燃料から燃焼を開始することによって、燃焼後半に燃え残って未燃ＨＣとなりやすい燃料を自己着火させ、燃焼効率を向上できる。一方、高負荷時には、低オクタン価燃料を先に燃焼させることで、エンドガス部の火炎による断熱圧縮によって引き起こされるノッキングを回避することできる。

また本実施形態によれば、着火トリガ装置（点火プラグ１６）は、燃焼室中心側（燃焼室内側）にて燃料の着火を開始するものであり、低負荷時は、燃焼室中心側（燃焼室内側）にオクタン価の高い燃料を分布させると共に、燃焼室周辺側（燃焼室外側）にオクタン価の低い燃料を分布させ、高負荷時は、燃焼室中心側（燃焼室内側）にオクタン価の低い燃料を分布させると共に、燃焼室周辺側（燃焼室外側）にオクタン価の高い燃料を分布させるように燃料供給を行うことにより、次のような効果が得られる。

低負荷時は、燃焼室中心側（燃焼室内側）の高オクタン価燃料から燃焼を開始させ、その後、燃焼室周辺側（燃焼室外側）の低オクタン価燃料を自己着火燃焼させることにより、火炎クエンチによって未燃となりやすい壁近傍の燃料を確実に燃焼させて、燃焼効率を高めることができる。特に、混合気濃度を希薄にして運転する場合、壁近傍の未燃ＨＣは大幅に増加する傾向があり、大幅な混合気希薄化を行う内燃機関において燃焼効率向上が効果的に行える。

一方、高負荷時は、燃焼室中心側（燃焼室内側）の低オクタン価燃料を先に燃焼させることにより、エンドガス部の火炎による断熱圧縮によって引き起こされるノッキングを回避することできる。また、壁面近傍での燃焼が抑制されるので、熱損失の増大を防止することができる。

また本実施形態によれば、燃焼室１の上面中央部には、オクタン価の異なる２種の燃料を各別にピストン冠面に向けて噴射する燃料噴射手段（燃料噴射弁１５）を有し、この燃料噴射手段（燃料噴射弁１５）は、圧縮行程にて、燃焼室周辺側（燃焼室外側）に分布させる燃料を噴射した後、燃焼室中心側（燃焼室内側）に分布させる燃料を噴射することにより、オクタン価の異なる２つの燃料の混合気をそれぞれ燃焼室の異なる位置に分布させることができる。また、燃料噴射手段（燃料噴射弁１５）の噴射時期、噴射圧力などを調整することにより、オクタン価の異なる２種の燃料の混合気の分布位置を多様に変更することが可能である。

また本実施形態によれば、燃料噴射手段として、オクタン価の異なる２種の燃料を各別に噴射可能な１つの燃料噴射弁１５を用いているので、燃焼室１に複数の燃料噴射弁を設置する必要がなく、吸排気弁のバルブ開口面積の制限が少ないなどの利点がある。

また本実施形態によれば、ピストンの冠面にキャビティ９を有し、このキャビティ９により、オクタン価の異なる２つの燃料をそれぞれ成層化するので、ピストンにキャビティ９がない形態に比べ、より確実に、燃焼室中心側（燃焼室内側）の成層混合気と燃焼室周辺側（燃焼室外側）の成層混合気とを形成することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図７は、第２の実施形態を示す内燃機関の構成図である。
図１にて示した第１の実施形態と異なる点について説明する。

図７にて示す第２の実施形態では、高オクタン価燃料供給用の燃料噴射弁（燃料噴射手段）２１と、低オクタン価燃料供給用の燃料噴射弁（燃料噴射手段）２２とが、燃焼室１の上面中央部に設けられている。これら燃料噴射弁２１、２２はそれぞれ、ピストンキャビティ９を指向して放射状に燃料噴射を行う。

また本実施形態では、着火トリガ装置である点火プラグ２３を、燃焼室１の周辺部に複数配置している。
次に、第２の実施形態における燃焼室内の混合気分布の制御方法について、図３及び図８〜図１０に基づいて説明する。

図８は、本実施形態における低負荷時の混合気分布の形成方法を示す図であり、図９は、本実施形態における高負荷時の混合気分布の形成方法を示す図である。また、図１０は、本実施形態における混合気の分布位置とオクタン価（ＲＯＮ）との関係を示す図である。

以下、第１の実施形態における燃焼室内の混合気分布の制御方法と異なる点について説明する。
図３のステップＳ４にて行われる低負荷時の混合気分布制御では、図８に示す低負荷時の混合気分布の形成方法により、低オクタン価燃料を燃焼室内側に分布させ、高オクタン価燃料を燃焼室外側に分布させる。以下、図８に基づいて、低負荷時の混合気分布の形成方法を説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、圧縮行程の早期に、燃焼室１の上面中央部に設置した高オクタン価燃料供給用の燃料噴射弁２１から、ピストンキャビティ９に向けて、高オクタン価燃料を放射状に噴射する。このときピストンが下位位置にあるので、放射状に噴射された高オクタン価燃料は、ピストンキャビティ９を含むピストン冠面に衝突した後、燃焼室外側に向かって拡散する。このようにして、高オクタン価燃料の混合気を燃焼室外側に分布させる。

次に、図８（ｂ）に示すように、圧縮行程の後半に、燃焼室１の上面中央部に設置した低オクタン価燃料供給用の燃料噴射弁２２から、ピストンキャビティ９に向けて、低オクタン価燃料を噴射し、低オクタン価燃料の混合気をピストンキャビティ９の上空に分布させる。このようにして、低オクタン価燃料の混合気を燃焼室内側に分布させる。

以上のように、低負荷時の混合気分布制御では、低オクタン価燃料を点火プラグのない燃焼室内側に分布させ、高オクタン価燃料を点火プラグのある燃焼室外側に分布させる（図１０（ａ）参照）。このように混合気分布を形成し、燃焼室外側にある点火プラグで燃焼室外側の高オクタン価燃料に点火することにより、低負荷時には、高オクタン価燃料から着火が開始される。

一方、図３のステップＳ５にて行われる高負荷時の混合気分布制御では、図９に示す高負荷時の混合気分布の形成方法により、高オクタン価燃料を燃焼室内側に分布させ、低オクタン価燃料を燃焼室外側に分布させる。以下、図９に基づいて、高負荷時の混合気分布の形成方法を説明する。

まず、図９（ａ）に示すように、圧縮行程の早期に、燃焼室１の上面中央部に設置した低オクタン価燃料供給用の燃料噴射弁２２から、ピストンキャビティ９に向けて、低オクタン価燃料を放射状に噴射する。このときピストンが下位位置にあるので、放射状に噴射された低オクタン価燃料は、ピストンキャビティ９を含むピストン冠面に衝突した後、燃焼室外側に向かって拡散する。このようにして、低オクタン価燃料の混合気を燃焼室外側に分布させる。

次に、図９（ｂ）に示すように、圧縮行程の後半に、燃焼室１の上面中央部に設置した高オクタン価燃料供給用の燃料噴射弁２１から、ピストンキャビティ９に向けて、高オクタン価燃料を噴射し、高オクタン価燃料の混合気をピストンキャビティ９の上空に分布させる。このようにして、高オクタン価燃料の混合気を燃焼室内側に分布させる。

以上のように、高負荷時の混合気分布制御では、高オクタン価燃料を点火プラグのない燃焼室内側に分布させ、低オクタン価燃料を点火プラグのある燃焼室外側に分布させる（図１０（ｂ）参照）。このように混合気分布を形成し、燃焼室外側にある点火プラグで燃焼室外側の低オクタン価燃料に点火することにより、高負荷時には、低オクタン価燃料から着火が開始される。

特に本実施形態によれば、着火トリガ装置（点火プラグ１６）は、燃焼室周辺側（燃焼室外側）にて燃料の着火を開始するものであり、低負荷時は、燃焼室周辺側（燃焼室外側）にオクタン価の高い燃料を分布させると共に、燃焼室中心側（燃焼室内側）にオクタン価の低い燃料を分布させ、高負荷時は、燃焼室周辺側（燃焼室外側）にオクタン価の低い燃料を分布させると共に、燃焼室中心側（燃焼室内側）にオクタン価の高い燃料を分布させるように燃料供給を行うことにより、次のような効果が得られる。

低負荷時には、燃焼室周辺側（燃焼室外側）の高オクタン価燃料から燃焼を開始させる。これにより、壁面付近を、燃焼温度が高くなる初期の燃焼部位にすることができるので、火炎クエンチによって未燃となりやすい壁近傍の燃料を確実に燃焼させて、燃焼効率を高めることができる。特に、混合気濃度を希薄にして運転する場合、壁近傍の未燃ＨＣは大幅に増加する傾向があり、大幅な混合気希薄化を行う内燃機関において燃焼効率向上が効果的に行える。

一方、高負荷時には、燃焼室周辺側（燃焼室外側）の低オクタン価燃料から燃焼を開始させる。高負荷時に高オクタン価燃料を多く供給できない場合、燃焼室中心側（燃焼室内側）に低オクタン価燃料を配置して着火を開始させても、低オクタン価燃料を燃焼し終わって高オクタン価燃料の着火に至る以前に、低オクタン価燃料の自己着火が発生し、ノッキングとなる場合が考えられる。この場合、多くの着火点から低オクタン価燃料を早期に燃焼させて自己着火を抑制することが望ましく、燃焼室周辺側（燃焼室外側）に低オクタン価燃料を配置して燃焼室周辺側（燃焼室外側）から燃焼を開始させるのが、効果的に火炎伝播距離を短縮するためには有利である。

次に、第３の実施形態について説明する。
図１１は、第３の実施形態を示す内燃機関の構成図である。
図１にて示した第１の実施形態と異なる点について説明する。

図１１にて示す第３の実施形態では、低オクタン価燃料供給用の燃料噴射弁３１が、燃焼室１の上面中央部に設けられ、シリンダヘッド下面から、燃焼室１内の周辺部を指向している。また、高オクタン価燃料供給用の内向き燃料噴射弁３２が、吸気ポート５に設けられ、吸気弁３を介して燃焼室１内の中心部を指向している。

また、ピストンの冠面には、第１の実施形態よりも底の深いキャビティ９ａが設けられている。
次に、第３の実施形態における燃焼室内の混合気分布の制御方法について、図３、図６、図１２及び図１３に基づいて説明する。

図１２は、本実施形態における低負荷時の混合気分布の形成方法を示す図であり、図１３は、本実施形態における高負荷時の混合気分布の形成方法を示す図である。
以下、第１の実施形態における燃焼室内の混合気分布の制御方法と異なる点について説明する。

図３のステップＳ４にて行われる低負荷時の混合気分布制御では、図１２に示す低負荷時の混合気分布の形成方法により、高オクタン価燃料を燃焼室内側に分布させ、低オクタン価燃料を燃焼室外側に分布させる。以下、図１２に基づいて、低負荷時の混合気分布の形成方法を説明する。

まず、吸気行程の比較的遅い時期に、吸気ポート５に設置した内向き燃料噴射弁３２から、高オクタン価燃料を噴射する。内向き燃料噴射弁３２からの燃料は、吸気ポート５の内側（燃焼室内側）に向けて噴射されて、燃焼室１内に流入する。燃焼室１内に流入した燃料は、燃焼室内側に分布する。このようにして、高オクタン価燃料の混合気を燃焼室内側に分布させる。

次に、圧縮行程の早期に、燃焼室１の上面中央部に設置した燃料噴射弁３１から、燃焼室外側に向けて、低オクタン価燃料を噴射することにより、低オクタン価燃料の混合気を燃焼室外側に分布させる。

以上のように、低負荷時の混合気分布制御では、高オクタン価燃料を点火プラグのある燃焼室内側に分布させ、低オクタン価燃料を点火プラグのない燃焼室外側に分布させる（図６（ａ）参照）。このように混合気分布を形成し、燃焼室内側にある点火プラグで燃焼室内側の高オクタン価燃料に点火することにより、低負荷時には、高オクタン価燃料から着火が開始される。

一方、ステップＳ５にて行われる高負荷時の混合気分布制御では、図１３に示す高負荷時の混合気分布の形成方法により、低オクタン価燃料を燃焼室内側に分布させ、高オクタン価燃料を燃焼室外側に分布させる。以下、図１３に基づいて、高負荷時の混合気分布の形成方法を説明する。

まず、図１３（ａ）に示すように、吸気行程の比較的遅い時期に、吸気ポート５に設置した内向き燃料噴射弁３２から、高オクタン価燃料を噴射する。このとき、吸気ポート５に設置したスワール制御弁１７により、燃焼室１内にはスワールが形成されている。内向き燃料噴射弁３２からの燃料は、吸気ポート５から燃焼室１内へ流入し、燃焼室１内のスワールによって燃焼室外側を旋回し、燃焼室外側に分布する（図１３（ｂ）参照）。このようにして、高オクタン価燃料の混合気を燃焼室外側に分布させる。

次に、図１３（ａ）に示すように、圧縮行程の後半に、燃焼室１の上面中央部に設置した燃料噴射弁３１から、底の深いピストンキャビティ９ａの側壁面に向けて、低オクタン価燃料が噴射される。これにより、燃料噴射弁３１からの燃料は、ピストンキャビティ９ａ内及びその上空に分布する。このようにして、低オクタン価燃料の混合気を燃焼室内側に分布させる。

以上のように、高負荷時の混合気分布制御では、低オクタン価燃料を点火プラグのある燃焼室内側に分布させ、高オクタン価燃料を点火プラグのない燃焼室外側に分布させる（図６（ｂ）参照）。このように混合気分布を形成し、燃焼室内側にある点火プラグで燃焼室内側の低オクタン価燃料に点火することにより、高負荷時には、低オクタン価燃料から着火が開始される。

特に本実施形態によれば、吸気ポート５には、オクタン価の異なる２種の燃料のいずれか一方を燃焼室中心側（燃焼室内側）に向けて噴射する内向き燃料噴射弁３２を有し、この内向き燃料噴射弁３２からの噴射燃料を燃焼室中心側（燃焼室内側）に分布させるとき、内向き燃料噴射弁３２は、吸気行程にて燃焼室中心側（燃焼室内側）に向けて燃料を噴射するので、燃焼室１内に直接燃料を噴射する場合に比べ、低圧にて燃料噴射することができる。

また本実施形態によれば、燃焼室１内にスワール流動を生成するスワール流動生成手段（スワール制御弁１７）を有し、このスワール流動生成手段（スワール制御弁１７）により生成されたスワール流動により、オクタン価の異なる２種の燃料をそれぞれ成層化するので、燃焼室周辺側（燃焼室外側）の周方向に一様に燃料を分布させることができると共に、燃焼室中心側（燃焼室内側）に形成された成層混合気が燃焼室周辺側（燃焼室外側）に拡散するのを抑制することができる。

次に、第４の実施形態について説明する。
図１４は、第４の実施形態を示す内燃機関の構成図である。
図１にて示した第１の実施形態と異なる点について説明する。

図１４にて示す第４の実施形態では、低オクタン価燃料供給用の燃料噴射弁４１が、燃焼室１の上面中央部に設けられ、シリンダヘッド下面から、ピストンキャビティ９を指向して、放射状に燃料を噴射する。また吸気ポート５には、高オクタン価燃料供給用として２つの燃料噴射弁が設置されている。これら燃料噴射弁のうち、一方は、吸気弁３を介して燃焼室１内の中心部を指向する内向き燃料噴射弁４２であり、他方は、吸気弁３を介して燃焼室１内の周辺部を指向する外向き燃料噴射弁４３である。

次に、第４の実施形態における燃焼室内の混合気分布の制御方法について、図３、図６、図１５及び図１６に基づいて説明する。
図１５は、本実施形態における低負荷時の混合気分布の形成方法を示す図であり、図１６は、本実施形態における高負荷時の混合気分布の形成方法を示す図である。

以下、第１の実施形態における燃焼室内の混合気分布の制御方法と異なる点について説明する。
図３のステップＳ４にて行われる低負荷時の混合気分布制御では、図１５に示す低負荷時の混合気分布の形成方法により、高オクタン価燃料を燃焼室内側に分布させ、低オクタン価燃料を燃焼室外側に分布させる。以下、図１５に基づいて、低負荷時の混合気分布の形成方法を説明する。

まず、吸気行程の後半の比較的早い時期に、燃焼室１の上面中央部に設置した燃料噴射弁４１から、ピストンキャビティ９に向けて、低オクタン価燃料を放射状に噴射する。このときピストンが下位位置にあるので、放射状に噴射された低オクタン価燃料は、ピストンキャビティ９を含むピストン冠面に衝突した後、燃焼室外側に向かって拡散する。このようにして、低オクタン価燃料の混合気を燃焼室外側に分布させる。

次に、吸気行程の後半の比較的遅い時期に、吸気ポート５に設置した内向き燃料噴射弁４２から、高オクタン価燃料を噴射する。内向き燃料噴射弁４２からの燃料は、吸気ポート５の内側（燃焼室内側）に向けて噴射されて、燃焼室１内に流入する。燃焼室１内に流入した燃料は、燃焼室内側に分布する。このようにして、高オクタン価燃料の混合気を燃焼室内側に分布させる。

以上のように、低負荷時の混合気分布制御では、高オクタン価燃料を点火プラグのある燃焼室内側に分布させ、低オクタン価燃料を点火プラグのない燃焼室外側に分布させる（図６（ａ）参照）。このように混合気分布を形成し、燃焼室内側にある点火プラグで燃焼室内側の高オクタン価燃料に点火することにより、低負荷時には、高オクタン価燃料から着火が開始される。

一方、ステップＳ５にて行われる高負荷時の混合気分布制御では、図１６に示す高負荷時の混合気分布の形成方法により、低オクタン価燃料を燃焼室内側に分布させ、高オクタン価燃料を燃焼室外側に分布させる。以下、図１６に基づいて、高負荷時の混合気分布の形成方法を説明する。

まず、図１６（ａ）に示すように、吸気行程の後半に、吸気ポート５に設置した外向き燃料噴射弁４３から、高オクタン価燃料を噴射する。このとき、吸気ポート５に設置したスワール制御弁１７により、燃焼室１内にはスワールが形成されている。外向き燃料噴射弁４３から燃焼室外側に向けて噴射された燃料は、吸気ポート５から燃焼室１内へ流入し、燃焼室１内のスワールによって燃焼室外側を旋回し、燃焼室外側に分布する（図１６（ｂ）参照）。このようにして、高オクタン価燃料の混合気を燃焼室外側に分布させる。

次に、図１６（ａ）に示すように、圧縮行程の後半に、燃焼室１の上面中央部に設置した燃料噴射弁４１から、ピストンキャビティ９に向けて、低オクタン価燃料が噴射される。これにより、燃料噴射弁４１からの燃料は、ピストンキャビティ９の上空に分布する。このようにして、低オクタン価燃料の混合気を燃焼室内側に分布させる。

以上のように、高負荷時の混合気分布制御では、低オクタン価燃料を点火プラグのある燃焼室内側に分布させ、高オクタン価燃料を点火プラグのない燃焼室外側に分布させる（図６（ｂ）参照）。このように混合気分布を形成し、燃焼室内側にある点火プラグで燃焼室内側の低オクタン価燃料に点火することにより、高負荷時には、低オクタン価燃料から着火が開始される。

特に本実施形態によれば、吸気ポート５には、オクタン価の異なる２種の燃料のいずれか一方を燃焼室周辺側（燃焼室外側）に向けて噴射する外向き燃料噴射弁４３を有し、この外向き燃料噴射弁４３からの噴射燃料を燃焼室周辺側（燃焼室外側）に分布させるとき、外向き燃料噴射弁４３は、吸気行程にて燃焼室周辺側（燃焼室外側）に向けて燃料を噴射するので、燃焼室１内に直接燃料を噴射する場合に比べ、低圧にて燃料噴射することができる。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図１７は、本発明の第５の実施形態を示す内燃機関の構成図である。
第５の実施形態では、着火トリガ装置として、点火プラグ１６、２３に代えて、燃焼室（主燃焼室）１に噴孔５１を介して連通する副室５２と、副室５２内に充填された燃料に点火する点火プラグ５３とを有して、前記噴孔５１から離散的に燃焼室１内にトーチ状火炎を噴出させるトーチ点火装置を設けている。

副室５２内への燃料供給は、圧縮行程にて燃焼室１内の燃料を押込み供給するようにしてもよいし、図示しない燃料噴射弁により副室５２内へ直接燃料を供給するようにしてもよい。

着火開始には、点火プラグ５３を内包した副室５２からのトーチ状火炎を用いる。
トーチ状火炎の貫徹力（噴出距離）は、副室５２内での点火位置、副室５２内の混合気濃度などによって調整が可能である。

例えば副室５２内での点火位置を噴孔５１に近づけると、副室５２内の圧力が十分に上昇する前にトーチ状火炎が噴出し、貫徹力が小さく（噴出距離が短く）なる。
これに対し、副室５２上部（噴孔５１から離れた位置）で点火を行うと、トーチ状火炎が噴出する前に副室５２内の圧力が十分に上昇するため、トーチ状火炎の貫徹力が大きく（噴出距離が長く）なる。

副室５２内の混合気濃度を変えた場合も、混合気濃度が濃い方が燃焼エネルギーが大きいため、貫徹力が大きくなり、混合気濃度を薄くすれば、貫徹力を下げることができるため、着火開始位置の調整が可能となる。

従って、着火位置を最適に定め、オクタン価の異なる２種の燃料を、燃焼室内の着火位置を含む部位と、着火位置を含まない部位とに、それぞれ成層化して分布させる際に、トーチ状火炎の貫徹力（噴出距離）を調整することにより、着火位置を調整することが可能になる。

特に本実施形態によれば、着火トリガ装置として、燃焼室１に噴孔５１を介して連通する副室５２と、副室５２内に充填された燃料に点火する点火プラグ５３とを有して、前記噴孔５１から離散的に燃焼室１内にトーチ状火炎を噴出させているので、副室５２内での点火位置、副室２２内の混合気濃度などによってトーチ状火炎の貫徹力（噴出距離）を調整することができ、着火位置を調整することができる。

尚、上述のオクタン価の異なる燃料の混合気分布制御に関しては、以下を含む。低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とを燃焼室の内側、外側に分布させるといった場合、必ずしも同心円状の半径方向の成層化を意味するものではなく、内燃機関の吸気−排気方向、あるいはフロント−リア方向といった一次元的な配置であってもよい。

また、機関運転条件に応じて、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とを燃焼室の内側、外側に分布させる制御は、低負荷域、又は高負荷域、又は中間の負荷において、両者を混合した、いわゆる均質混合状態で運転する場合を否定しない。言い換えれば、少なくとも一部の機関運転条件で、オクタン価の異なる２つの燃料を燃焼室内に供給し、これらの燃料を燃焼室内の異なる部位に分布させて燃焼を行う内燃機関であればよい。

本発明の第１の実施形態を示す内燃機関の構成図 第１の実施形態における燃料噴射弁の構造の一例を示す説明図 第１の実施形態における混合気分布制御を示すフローチャート 第１の実施形態における低負荷時の混合気分布の形成方法を示す図 第１の実施形態における高負荷時の混合気分布の形成方法を示す図 第１の実施形態における混合気の分布位置とオクタン価（ＲＯＮ）との関係を示す図 本発明の第２の実施形態を示す内燃機関の構成図 第２の実施形態における低負荷時の混合気分布の形成方法を示す図 第２の実施形態における高負荷時の混合気分布の形成方法を示す図 第２の実施形態における混合気の分布位置とオクタン価（ＲＯＮ）との関係を示す図 本発明の第３の実施形態を示す内燃機関の構成図 第３の実施形態における低負荷時の混合気分布の形成方法を示す図 第３の実施形態における高負荷時の混合気分布の形成方法を示す図 本発明の第４の実施形態を示す内燃機関の構成図 第４の実施形態における低負荷時の混合気分布の形成方法を示す図 第４の実施形態における高負荷時の混合気分布の形成方法を示す図 本発明の第５の実施形態を示す内燃機関の構成図

符号の説明

１ 燃焼室（主燃焼室）
３ 吸気弁
４ 排気弁
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ 吸気弁用カム
８ 排気弁用カム
９ キャビティ
９ａ キャビティ
１１ 燃料タンク
１２ 改質装置
１３ 高オクタン価燃料用通路
１４ 低オクタン価燃料用通路
１５ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
１６ 点火プラグ
１７ スワール制御弁（スワール流動生成手段）
２１ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２２ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２３ 点火プラグ
３１ 燃料噴射弁
３２ 内向き燃料噴射弁
４１ 燃料噴射弁
４２ 内向き燃料噴射弁
４３ 外向き燃料噴射弁
５１ 噴孔
５２ 副室
５３ 点火プラグ

Claims (12)

1. オクタン価の異なる２種の燃料を燃焼室内に供給して燃焼させる内燃機関において、
   燃料の着火を開始させる着火トリガ装置を有し、
   前記２種の燃料を、燃焼室内の前記着火トリガ装置による着火位置を含む部位と、前記着火トリガ装置による着火位置を含まない部位とに、それぞれ成層化して分布させると共に、機関運転条件に応じて前記２種の燃料の分布位置を入れ替えることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 低負荷時は、前記２種の燃料のうち、オクタン価の高い燃料を前記着火トリガ装置による着火位置に分布させることで、オクタン価の高い燃料から着火を開始させ、
   高負荷時は、前記２種の燃料のうち、オクタン価の低い燃料を前記着火トリガ装置による着火位置に分布させることで、オクタン価の低い燃料から着火を開始させ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. 前記着火トリガ装置は、燃焼室中心側にて燃料の着火を開始するものであり、
   低負荷時は、燃焼室中心側にオクタン価の高い燃料を分布させると共に、燃焼室周辺側にオクタン価の低い燃料を分布させ、
   高負荷時は、燃焼室中心側にオクタン価の低い燃料を分布させると共に、燃焼室周辺側にオクタン価の高い燃料を分布させるように燃料供給を行うことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記着火トリガ装置は、燃焼室周辺側にて燃料の着火を開始するものであり、
   低負荷時は、燃焼室周辺側にオクタン価の高い燃料を分布させると共に、燃焼室中心側にオクタン価の低い燃料を分布させ、
   高負荷時は、燃焼室周辺側にオクタン価の低い燃料を分布させると共に、燃焼室中心側にオクタン価の高い燃料を分布させるように燃料供給を行うことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 燃焼室の上面中央部には、前記２種の燃料を各別にピストン冠面に向けて噴射する燃料噴射手段を有し、この燃料噴射手段は、圧縮行程にて、燃焼室周辺側に分布させる燃料を噴射した後、燃焼室中心側に分布させる燃料を噴射することを特徴とする請求項３又は請求項４記載の内燃機関の燃焼制御装置。
6. 前記燃料噴射手段は、前記２種の燃料を各別に噴射する１つの燃料噴射弁であることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の燃焼制御装置。
7. 吸気ポートには、前記２種の燃料のいずれか一方を燃焼室中心側に向けて噴射する内向き燃料噴射弁を有し、この内向き燃料噴射弁からの噴射燃料を燃焼室中心側に分布させるとき、前記内向き燃料噴射弁は、吸気行程にて燃焼室中心側に向けて燃料を噴射することを特徴とする請求項３又は請求項４記載の内燃機関の燃焼制御装置。
8. 吸気ポートには、前記２種の燃料のいずれか一方を燃焼室周辺側に向けて噴射する外向き燃料噴射弁を有し、この外向き燃料噴射弁からの噴射燃料を燃焼室周辺側に分布させるとき、前記外向き燃料噴射弁は、吸気行程にて燃焼室周辺側に向けて燃料を噴射することを特徴とする請求項７記載の内燃機関の燃焼制御装置。
9. ピストンの冠面にキャビティを有し、このキャビティにより、前記２種の燃料をそれぞれ成層化することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
10. 燃焼室内にスワール流動を生成するスワール流動生成手段を有し、このスワール流動生成手段により生成されたスワール流動により、前記２種の燃料をそれぞれ成層化することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
11. 前記着火トリガ装置は、燃焼室に噴孔を介して連通する副室と、副室内に充填された燃料に点火する点火プラグとを有して、前記噴孔から離散的に燃焼室内にトーチ状火炎を噴出させるものであることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
12. オクタン価の異なる２種の燃料を燃焼室内に供給して燃焼させる際に、
    前記２種の燃料を、燃焼室内の着火を開始させる着火トリガ装置の着火位置を含む部位と、前記着火位置を含まない部位とに、それぞれ成層化して分布させると共に、機関運転条件に応じて前記２種の燃料の分布位置を入れ替えることを特徴とする内燃機関の燃焼制御方法。

Images