JP2009209902A - 副室式内燃機関及びその燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低オクタン価燃料と高オクタン価燃料との双方を使用しつつ、リーン運転領域の更なる拡大と熱効率の向上とを図る。
【解決手段】副室式内燃機関１は、主室２と、互いに対向するように配置された第１副室３ａ及び第２副室３ｂとを備える。第１燃料噴射弁14ａは主室２内の第１副室３ａ側に低オクタン価燃料を供給し、第２燃料噴射弁14ｂは主室２内の第２副室13ｂ側に高オクタン価燃料を供給する。Ｃ／Ｕ20は、第１点火プラグ15ａの点火により第１副室３ａから主室２内に第１トーチ火炎を噴出させると共に第２点火プラグ15ｂの点火により第２副室３ｂから主室２内に第２トーチ火炎を噴出させ、運転状態に応じて、これら第１、第２トーチ火炎の衝突位置を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主たる燃焼室である主室の他に副室を備える副室式内燃機関及びその燃焼方法に関する。

ガソリン燃料を燃焼させる内燃機関の一例として、副室式内燃機関がある（例えば、特許文献１を参照）。この副室式内燃機関は、主たる燃焼室の他に副室を備え、該副室からトーチ火炎を噴出させることによって主室内における混合気の燃焼を促進させるものであり、通常の火花点火式内燃機関と比べて可燃限界空燃比を希薄化することができ、熱効率の高い運転を可能とする。

また、同様に熱効率の高い運転を可能とするものとして、圧縮自己着火式内燃機関がある（例えば、特許文献２を参照）。特許文献２に記載の圧縮自己着火式内燃機関は、オクタン化の異なる二種類の燃料を用い、低負荷運転では着火性の高い低オクタン化燃料のみを供給する一方、中・高負荷運転では低オクタン価燃料の供給量を一定に保持しつつ、負荷が高まるほど耐ノック性の高い高オクタン化燃料の供給量を多くすることで、広い運転範囲において圧縮自己着火燃焼の安定化を図るようにしている。
特開昭６０−４５７１６号公報 特開２０００−１７９３６８号公報

ところで、近年、燃費の一層の向上が要求されており、リーン運転領域の更なる拡大と熱効率の向上とが望まれている。
ここで、副室式内燃機関においてリーン運転領域の更なる拡大を図るためには、特に低負荷運転時に安定した燃焼を実現し、未燃ＨＣの増大をいかに抑制するかが課題となる。また、副室式内燃機関ではトーチ火炎がピストン頂面や燃焼室壁面に衝突し易い傾向にあり、かかるトーチ火炎のピストン頂面又は燃焼室壁面への衝突による冷却損失を低減する必要もある。

一方、特許文献２に記載の圧縮自己着火式内燃機関では、オクタン価の異なる二種類の燃料を用いているところ、この二種類の燃料が常に十分確保されているとは限らず、例えば低負荷運転時に高オクタン価燃料を混在させて供給しなければならない事態も想定される。このような場合には圧縮自己着火による安定した燃焼が実現できず、リーン運転領域を拡大させることは困難となる。特に燃料改質装置を備え、補給された燃料の改質を行って低オクタン化燃料と高オクタン化燃料とを確保する場合には、常に両燃料を十分に確保しておくことが難しいことから、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料との双方を供給することを前提とした上で、リーン運転領域を更に拡大する方法を検討する必要がある。

本発明は、以上のような課題に着目してなされたものであり、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料との双方を使用しつつ、リーン運転領域の更なる拡大と熱効率の向上とを図ることを目的とする。

そのため、本発明に係る副室式内燃機関では、主室内の一方側に低オクタン価燃料を供給すると共に他方側に低オクタン価燃料を供給し、主室内に複数の火炎を発生させると共に該複数の火炎の衝突位置を運転状態に応じて制御するようにした。

本発明に係る副室式内燃機関によると、主室内で複数の火炎を衝突させると共にその衝突位置を運転状態に応じて制御するので、冷却損失を抑制しつつ、運転状態に応じた燃焼形態を実現し、特に低負荷運転時における未燃ＨＣの生成と高負荷運転時におけるノッキングとを効果的に抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る副室式内燃機関（以下、単に「機関」という）を示している。図１において、機関１は、主たる燃焼室である主室２と、この主室２に隣接する２つの副室（第１副室３ａ，第２副室３ｂ）とを備えている。第１副室３ａ及び第２副室３ｂは互いに対向するように配置されており、それぞれ連通路４ａ，４ｂを介して主室２に連通している。好ましくは、第１副室３ａ（連通路４ａ）及び第２副室３ｂ（連通路４ｂ）は、主室２の中心軸線Ｌを挟んで対向配置される。

主室２は、シリンダヘッド５の下面と、シリンダブロック６に摺動可能に挿入されたピストン７とによって形成される。この主室２には、２つの吸気ポート８（第１吸気ポート８ａ，８ｂ）及び２つの排気ポート９（第１排気ポート９ａ，９ｂ）が開口しており、これらの各開口部には吸気バルブ10（10ａ，10ｂ）、排気バルブ11（11ａ，11ｂ）がそれぞれ設けられる。吸気バルブ10（10ａ，10ｂ）は、吸気カム12（12ａ，12ｂ）によって開閉駆動され、排気バルブ11ａ、11ｂは、排気カム13（13ａ、13ｂ）によって開閉駆動される。なお、第１吸気ポート８ａ及び第１排気ポート９ａは上記中心軸線Ｌよりも第１副室３ａ側に位置し、第２吸気ポート８ｂ及び第２排気ポート９ｂは上記中心軸線Ｌよりも第２副室３ｂ側に位置する。

第１吸気ポート８ａ及び第２吸気ポート８ｂには、第１燃料噴射弁（第１燃料供給手段）14ａ、第２燃料噴射弁（第２燃料供給手段）14ｂがそれぞれ設けられている。
第１燃料噴射弁14ａは図示しない第１燃料供給系に接続されており、該第１燃料供給系から供給される低オクタン価燃料を第１吸気ポート８ａ内に噴射する。一方、第２燃料噴射弁14ｂは図示しない第２燃料供給系に接続されており、該第２燃料供給系から供給される高オクタン価燃料を第２吸気ポート８ｂ内に供給する。

第１燃料噴射弁14ａから噴射された低オクタン価燃料は第１吸気ポート８ａ内で新気と混合されて主室２内に導入され、第２燃料噴射弁14ｂから噴射された高オクタン価燃料は第２吸気ポート８ｂ内で新気と混合されて主室２内に導入される。この結果、低オクタン価燃料と新気の混合気が主室２内の第１副室３ａ側に供給され、高オクタン価燃料と新気の混合気が主室２内の第２副室３ｂ側に供給されることになる。

なお、低オクタン価燃料及び高オクタン価燃料は、予め分離されたものがそれぞれ補給されてもよいし、（車両に）補給された燃料を燃料改質装置によって低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とに分離したものでもよい。

主室２内に供給された混合気の一部は、圧縮行程時に連通路４ａ，４ｂを介して第１副室３ａ、第２副室３ｂ内に導入される。ここで、第１副室３ａには第１吸気ポート８ａの出口近傍の混合気が導入され、第２副室３ｂには第２吸気ポート８ｂの出口近傍の混合気が導入されるため、両副室３ａ、３ｂ内の混合気の空燃比は、主室２内の混合気の空燃比と比較してリッチなものとなる。なお、第１副室３ａ及び／又は第２副室３ｂにも燃料噴射弁（燃料供給手段）を設け、この副室用の燃料噴射弁による燃料噴射によって第１副室３ａ及び／又は第２副室３ｂ内に混合気を形成するようにしてもよいことはもちろんである。

第１副室３ａには、該第１副室３ａ内の混合気を点火する第１点火プラグ（第１点火手段）15ａが設けられ、第２副室３ｂには、該第２副室３ｂ内の混合気を点火する第２点火プラグ（第２点火手段）15ｂが設けられている。

第１点火プラグ15ａによって第１副室３ａ内の混合気を点火すると第１副室３ａ内の圧力が上昇し、第１副室３ａから主室２へと連通路４ａを介してトーチ火炎（第１トーチ火炎）が噴出する。同様に、第２点火プラグ1５ｂによって第２副室３ｂ内の混合気を点火すると第２副室３ｂ内の圧力が上昇し、第２副室３ｂから主室２へと連通路４ｂを介してトーチ火炎（第２トーチ火炎）が噴出する。第１点火プラグ15ａと第２点火プラグ15ｂとを駆動すると、第１副室３ａ、第２副室３ｂからそれぞれ第１トーチ火炎、第２トーチ火炎が噴出し、両トーチ火炎は主室２内で衝突することになる。

コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）20は、各種センサから出力される検出信号を入力し、これら検出信号に基づいて第１燃料噴射弁14ａ、第２燃料噴射弁14ｂによる燃料噴射（噴射量、噴射時期）及び第１点火プラグ15ａ、第２点火プラグ15ｂによる点火（点火時期）等を制御する。上記各種センサとしては、アクセル開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ21、機関１の吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ22、機関１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ23、機関１の回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ24、第１燃料噴射弁14ａに供給される低オクタン価燃料の燃料組成（オクタン価）を検出する第１燃料性状センサ（第１オクタン価検出手段）25、第２燃料噴射弁14ｂに供給される高オクタン価燃料の燃料組成（オクタン価）を検出する第２燃料性状センサ（第２オクタン価検出手段）26などがある。

次に、Ｃ／Ｕ20による制御を説明する。Ｃ／Ｕ20は、第１燃料噴射弁14ａ及び第２燃料噴射弁14ｂを制御して、主室２内の第１副室３ａ側に低オクタン価燃料（混合気）を、主室２内の第２副室３ｂ側に高オクタン価燃料（混合気）を供給する。

そして、主室２内に２つのトーチ火炎を発生させると共に、該２つのトーチ火炎を主室２内で衝突させて、この衝突に伴う乱流効果によって主室２内の混合気の燃焼を促進させる。すなわち、Ｃ／Ｕ20は、第１点火プラグ15ａ及び第２点火プラグ15ｂの駆動を制御して、第１副室３ａから主室２内に第１トーチ火炎を、第２副室３ｂから主室２内に第２トーチ火炎を噴出させると共に、両トーチ火炎の衝突位置を機関１の運転条件に応じて変更する。より具体的には、低負荷運転時においては、第１トーチ火炎と第２トーチ火炎とを、主室２内の高オクタン価燃料（の混合気）が配置された第１副室３ａ側で衝突させる一方、高負荷運転時においては、第１トーチ火炎と第２トーチ火炎とを主室２内の低オクタン価燃料（の混合気）が配置された第２副室３ｂ側で衝突させる。

本実施形態において、かかるトーチ火炎の衝突位置の制御は、第１点火プラグ15ａの点火時期と第２点火プラグ15ｂの点火時期との位相差を制御することにより行う。
図２は、本実施形態においてＣ／Ｕ20が実行する制御のフローチャートである。図２において、ステップＳ１では、各種センサの検出信号を読込む。

ステップＳ２では、読込んだ各種センサの検出信号に基づき、高オクタン価燃料、低オクタン価燃料の噴射量及び噴射時期をそれぞれ設定する。本実施形態では、低負荷運転時においては可能な限り超リーン空燃比（例えば、空燃比が３０以上）となるように噴射量が設定される。また、運転条件に応じて高オクタン価燃料量と低オクタン価燃料量との割合を変化させたり、噴射時期を異ならせたりすることも可能である。

ステップＳ３では、第１点火プラグ15ａの点火時期と第２点火プラグ15ｂの点火時期との位相差Δｔ（＝第１点火プラグ15ａの点火時期（deg BTDC）−第２点火プラグ15ｂの点火時期(deg BTDC)）を設定する。具体的には、機関１の負荷（例えば、基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ）に基づいて、図３に示すようなテーブルを参照して点火時期の位相差Δｔを設定する。これにより、低負荷運転時においては第１点火プラグ15ａが第２点火プラグ15ｂよりも先に動作し、その動作時間差は負荷が低いほど大きくなる。一方、高負荷運転時においては第２点火プラグ15ｂが第１点火プラグ15ａよりも先に動作し、その動作時間差は負荷が高いほど大きくなる。

ステップＳ４では、ステップＳ３で設定された点火時期の位相差Δｔを主室２内に噴射される燃料の性状に応じて補正する。具体的には、第２燃料噴射弁14ｂから噴射される高オクタン価燃料のオクタン価（ＲＯＮ２）と、第１燃料噴射弁14ａから噴射される低オクタン価燃料のオクタン価（ＲＯＮ１）との差をＲＯＮ勾配ΔＲＯＮ（＝ＲＯＮ２−ＲＯＮ１）として算出し、このＲＯＮ勾配ΔＲＯＮに基づいて図４に示すようなテーブルを参照して補正係数Ｋを算出し、この補正係数Ｋをステップ２で設定された点火時期の位相差Δｔに乗算する（Δｔ←Ｋｔ×Δｔ）。

図４に示すように、ＲＯＮ勾配ΔＲＯＮが設定値（設計基準値）であるときに補正係数Ｋｔ＝１．０となり、ＲＯＮ勾配が設定値よりも小さくなるほど、補正係数Ｋｔも小さな値（＜１．０）となる。これにより、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とのオクタン価の差が小さくなるほど、点火時期の位相差Δｔも小さくなる。なお、このステップＳ４での補正は、基本的には燃料改質装置を備える構成において必要となるものであり、低オクタン価燃料及び高オクタン価燃料として常に一定のオクタン価のものが補給される構成においては行わなくてもよい。

ステップＳ５では、上記位相差Δｔに基づき第１点火プラグ15ａ、第２点火プラグ15ｂの点火時期（ＩＴ１，ＩＴ２）を設定する。具体的には、低負荷運転時においては、第１点火プラグ15ａの点火時期ＩＴ１に対し、第２点火プラグ15ｂの点火時期ＩＴ２が位相差Δｔだけ遅れた時期に設定される一方、高負荷運転時においては、第２点火プラグ15ｂの点火時期ＩＴ２に対し、第１点火プラグ15ａの点火時期ＩＴ１が位相差Δｔだけ遅れた時期に設定される。

ステップＳ６では、燃料噴射を行う。すなわち、ステップＳ２で設定した噴射時期及び噴射量に基づき第１燃料噴射弁14ａ、第２燃料噴射弁14ｂを開弁駆動する。これにより、第１燃料噴射弁14ａは所定量の低オクタン価燃料を噴射すると共に第２燃料噴射弁14ｂは所定量の高オクタン価燃料を噴射し、主室２内の第１副室３ａ側には低オクタン価燃料（の混合気）が配置され、第２副室３ｂ側に高オクタン価燃料（の混合気）が配置されることになる。

ステップＳ７では、副室内の混合気を点火する。すなわち、ステップＳ５で設定した点火時期ＩＴ１、ＩＴ２に基づき第１点火プラグ15ａ、第２点火プラグ15ｂを駆動する。これにより、低負荷運転時においては、まず第１副室３ａから第１トーチ火炎が主室２内に噴出し、その後に第２副室３ｂから第２トーチ火炎が主室２内に噴出することになり、高負荷運転時においては、まず第２副室３ｂから第２トーチ火炎が主室２内に噴出し、その後に第１副室３ａから第１トーチ火炎が主室２内に噴出することになる。

次に、本実施形態の作用を説明する。
上述したように、本実施形態に係る副室式内燃機関では、低負荷運転時においては第１点火プラグ15ａを先に駆動し、これに遅れて第２点火プラグ15ｂを駆動する。これにより、第１副室３ａから第１トーチ火炎が噴出し、その後に第２副室３ｂから第２トーチ火炎が噴出することとなるが、主室２内の混合気は超リーンであり、またトーチ火炎は強せん断流となるため、第１、第２トーチ火炎が噴出しただけでは主室２内での火炎伝播はほとんど生じない。このため、図５に示すように、第１トーチ火炎と第２トーチ火炎とは主室２内の高オクタン価（高ＲＯＮ）燃料が配置されている側（すなわち、第２副室３ｂ側）で衝突する。このトーチ火炎の衝突によって火炎が拡がり、まず高オクタン価燃料が燃焼し、その燃焼はトーチ火炎の衝突による乱流効果によって促進される。そして、この高オクタン価燃料の燃焼に伴う主室２内の熱及び圧力が上昇によって低オクタン価燃料の自着火も誘発される。これにより、超リーン空燃比（３０以上）であっても高オクタン化燃料及び低オクタン化燃料の安定した燃焼が可能となり、未燃ＨＣの排出量を低減できる。

図６は、低負荷運転時の熱発生履歴を示している。従来の機関では、リーン運転領域を拡大すると、破線で示すように、燃焼が緩慢となり（燃焼期間が長くなり）、未燃ＨＣの増大と効率の悪化を招いてしてしまうことになる。これに対し、本実施形態に係る副室式内燃機関では、実線で示すように、トーチ火炎の衝突によって生じる１段目の燃焼によって高オクタン価燃料を燃焼させ、この高オクタン価燃料の燃焼によって低オクタン価燃料の自着火が誘発される（２段目の燃焼）。このため、従来に比べてリーンな混合気であっても安定した燃焼を実現でき、リーン燃焼領域を拡大することができると共に燃焼期間も短くなって更なる低燃費（高効率な）運転が可能になる。

さらに本実施形態においては、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とのオクタン価の差（ＲＯＮ勾配ΔＲＯＮ）が小さいほど点火時期の位相差Δｔが小さく補正されるので、図７に示すように、ＲＯＮ勾配が小さいほど第１トーチ火炎と第２トーチ火炎との衝突位置が主室２の中心側に近づくことになる。これにより、ＲＯＮ勾配が大きい場合には高オクタン価燃料を早く燃焼させて未燃ＨＣの生成を抑制し（図７（ａ））、ＲＯＭ勾配が小さくなって均質に近い場合には第１トーチ火炎と第２トーチ火炎とを主室２のほぼ中心で衝突させ、そこから火炎伝播させることで主室２内にほぼ均等に火炎（燃焼）を進行させて未燃ＨＣの生成を抑制する（図７（ｃ））。

一方、高負荷運転時においては第２点火プラグ15ｂを先に駆動し、これに遅れて第１点火プラグ15ａを駆動する。このため、図８に示すように、第１トーチ火炎と第２トーチ火炎とは主室２内の低オクタン価（低ＲＯＮ）燃料が配置されている側（第１副室３ａ側）で衝突する。このトーチ火炎の衝突によって火炎が拡がることで、まず低オクタン価燃料が燃焼し、その燃焼はトーチ火炎の衝突による乱流効果によって促進される。そして、この低オクタン価燃料の燃焼によって高オクタン価燃料も燃焼することになる。

図９は、高負荷運転時の熱発生履歴を示している。従来の機関では、破線で示すように、燃焼後半における自着火によるノッキングが問題となる（破線）。この問題は、特に主室２内に低オクタン価燃料がある場合に生じ易い。この点、本実施形態に係る副室式内燃機関では、実線で示すように、トーチ火炎の衝突によって生じる１段目の燃焼によって低オクタン価燃料を燃焼させ、この低オクタン価燃料の燃焼によって高オクタン価燃料を燃焼させる（２段目の燃焼）。このため、自着火によるノッキングの発生を抑制でき、例えば高オクタン価燃料を主室２内に均質に供給した場合と同等の負荷であっても安定した燃焼が可能となる。

さらに低負荷運転時と同様、本実施形態においては、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とのオクタン価の差（ＲＯＮ勾配）が小さいほど点火時期位相差Δｔが小さく補正されるので、図１０に示すように、ＲＯＭ勾配が小さいほど１トーチ火炎と第２トーチ火炎との衝突位置が主室２の中心側に近づくことになる。これにより、ＲＯＮ勾配が大きい場合には、自着火性の高い低オクタン価燃料を早く燃焼させてノッキングの発生を抑制し（図１０（ａ））、ＲＯＭ勾配が小さくなって均質に近い場合には第１トーチ火炎と第２トーチ火炎とを主室２のほぼ中心で衝突させ、そこから火炎伝播させることでノッキングの発生を抑制する（図１０（ｃ））。

本実施形態において、Ｃ／Ｕ20が本発明に係る「燃焼制御手段」、「制御手段」として機能する。
本実施形態によると、副室式内燃機関において、第１副室３ａから噴出する第１トーチ火炎と第２副室３ｂから噴出する第２トーチ火炎とを主室２内で衝突させて主室２内の混合気を燃焼させるようにしたので、トーチ火炎のピストン頂面た主室２壁面への衝突が抑制され、副室式内燃機関において生じ易い冷却損失を低減できる。また、第１トーチ火炎と第２トーチ火炎との衝突位置は、第１点火プラグ15ａの点火時期と第２点火プラグ15ｂの点火時期との位相差を制御することによって、容易に制御することができ、これにより、運転状態に応じた適切な燃焼形態とすることができる。

また、低負荷運転時においては第１点火プラグ15ａの点火時期を第２点火プラグ15ｂの点火時期よりも早く設定し、第１副室３ａから噴出する第１トーチ火炎と第２副室３ｂから噴出する第２トーチ火炎とを主室２内の第２副室３ｂ側（すなわち、高オクタン価燃料が配置された側）で衝突させるので、高オクタン価燃料の燃焼が促進されると共に、この高オクタン価燃料の燃焼によって低オクタン価燃料の自着火が誘発される。これにより、超リーン空燃比であっても安定した燃焼を実現して未燃ＨＣの生成を抑制できる。また、更なるリーン運転領域の拡大が可能となり、低燃費運転を実現できる。

さらに、高負荷運転時においては第２点火プラグ15ｂの点火時期を第１点火プラグ15ａの点火時期よりも早く設定し、第１副室３ａから噴出する第１トーチ火炎と第２副室３ｂから噴出する第２トーチ火炎とを主室２内の第１副室３ａ側（すなわち、低オクタン価燃料が配置された側）で衝突させるので、自着火性の高い低オクタン価燃料を自着火に至る前に燃焼させることができる共に、この低オクタン価燃料の燃焼によって高オクタン価燃料の燃焼も促進される。これにより、高負荷運転時におけるノッキングの発生を抑制することができる。

ここで、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とのオクタン価の差（ＲＯＮ勾配）に応じて第１トーチ火炎と第２トーチ火炎との衝突位置を制御（変更）し、ＲＯＮ勾配が小さいほど衝突位置を主室２の中心側に制御することにより、供給される燃料の状態に合わせた燃焼を実現し、低負荷運転時においては効果的に未燃ＨＣの生成を抑制し、高負荷運転時においては効果的にノッキングの発生を抑制できる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図１１は、第２実施形態に係る副室式内燃機関を示している。基本的な構成は上記第１実施形態における副室式内燃機関と同じである。第１実施形態との主な相違点は、第２実施形態に係る副室式内燃機関は、第１副室３ａ及び第２副室３ｂに水素供給路（水素供給手段）31ａ、31ｂが接続され、運転状態に応じて第１副室３ａ及び第２副室３ｂの少なくとも一方に水素を供給できるようになっていることである。すなわち、水素は水素貯蔵部（図示省略）から送出され、水素供給路31ａ，31ｂを介して第１副室３ａ、第２副室３ｂに供給される。水素供給量は、水素供給路31ａ．31ｂに設けられたバルブ等の水素量制御手段32ａ，32ｂによって調整される。水素量制御手段32ａ，32ｂの動作はＣ／Ｕ20によって制御される。

図１２は、第２実施形態においてＣ／Ｕ20が実行する制御のフローチャートである。図１２において、ステップＳ１１、ステップＳ１２は、図２のステップＳ１、ステップＳ２と同様である。

ステップＳ１３では、第１点火プラグ15ａ、第２点火プラグ15ｂの点火時期ＩＴを設定する。ここでは、図２のステップＳ５と異なり、第１点火プラグ15ａの点火時期と第２点火プラグ15ｂの点火時期とが同時期に設定される。

ステップＳ１４では、第１副室３ａに供給される水素量と第２副室３ｂに供給される水素量との差（水素供給量差）ΔＭを設定する。具体的には、機関１の負荷に基づいて、図１３に示すようなテーブルを参照して水素供給量差ΔＭを設定する。これにより、低負荷運転時においては第１副室３ａに供給される水素量が第２副室３ｂに供給される水素量よりも多くなり、その差は負荷が低いほど大きくなる。一方、高負荷運転時においては第２副室３ｂに供給される水素量が第１副室３ａに供給される水素量よりも多くなり、その差は負荷が高いほど大きくなる。

ステップＳ１５では、図２のステップＳ６と同様、燃料噴射を行う。これにより、主室２内の第１副室３ａ側には低オクタン価燃料が配置され、第２副室３ｂ側に高オクタン価燃料が配置されることになる。

ステップＳ１６では、上記水素供給量差ΔＭに基づき第１副室３ａ及び第２副室３ｂに水素を供給する。ここで、水素供給量差ΔＭを満たせばよく、常に第１副室３ａと第２副室３ｂとの両方に水素を供給する必要はない（すなわち、いずれか一方のみに水素を供給するようにしてもよい）。

ステップＳ１７では、副室内の混合気を点火する。すなわち、ステップＳ１３で設定した点火時期ＩＴに基づき第１点火プラグ15ａ、第２点火プラグ15ｂを駆動する。
供給される水素が多いほど副室内における燃焼が早くなり、トーチ火炎の噴出時期も早くなる。このため、本実施形態においても、低負荷運転時には、まず第１副室３ａから第１トーチ火炎が主室２内に噴出し、その後に第２副室３ｂから第２トーチ火炎が主室２内に噴出することになり、第１トーチ火炎と第２トーチ火炎とは主室２内の高オクタン価燃料が配置された側（第２副室３ｂ側）で衝突し、高負荷運転時においては、まず第２副室３ｂから第２トーチ火炎が主室２内に噴出し、その後に第１副室３ａから第１トーチ火炎が主室２内に噴出することになり、第１トーチ火炎と第２トーチ火炎とは主室２内の低オクタン価燃料が配置された側（第１副室３ａ側）で衝突する。

このように、点火時期の位相差を制御することに代えて第１副室３ａと第２副室３ｂへの水素供給量を制御することによっても第１トーチ火炎と第２トーチ火炎との衝突位置を容易に制御することができ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、上記第１実施形態と同様、ＲＯＮ勾配に応じて水素供給量差ΔＭを補正するようにしてもよく、この場合には、ＲＯＭ勾配が小さいほど水素供給量差ΔＭを小さく補正する。また、点火時期の位相差と水素供給量の両方を適宜制御するようにしてもよい。このようにすれば、第１トーチ火炎と第２トーチ火炎との衝突位置をより細かく制御することが可能となる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図１４は、第３実施形態に係る副室式内燃機関を示している。本実施形態に係る副室式内燃機関は、副室が１つしかなく、また、主室内の混合気を点火する点火プラグ（以下「主室点火プラグ」という）が設けられている点で上記第１、第２実施形態と相違する。

図１４に示すように、本実施形態では、副室３と主室点火プラグ17とが対向するように配置される。好ましくは、副室３（連通路４）及び主室点火プラグ17は、主室２の中心軸線Ｌを挟んで対向配置される。第１吸気ポート８ａ及び第１排気ポート９ａは上記中心軸線Ｌよりも副室３側に位置し、第２吸気ポート８ｂ及び第２排気ポート９ｂは上記中心軸線Ｌよりも主室点火プラグ15ｃ側に位置する。その他の構成については第１、第２実施形態と同様である。但し、本実施形態においては、副室３内の混合気を点火する点火プラグ15（第１、第２実施形態における第１点火プラグ15ａに相当する）を「副室点火プラグ」と呼ぶことにする。

かかる構成において、Ｃ／Ｕ20は、主室２内に低オクタン価燃料及び高オクタン価燃料を供給し、副室点火プラグ15の点火時期と主室点火プラグ17の点火時期との位相差を制御することにより、副室３から噴出されるトーチ火炎と主室点火プラグ17によって開始される火炎伝播（面）との衝突位置を制御する。なお、上記第２実施形態のように、副室３に水素供給通路を接続し、副室３内への水素供給量を調整することによってトーチ火炎と火炎伝播（面)との衝突位置を制御するようにしてもよい。

具体的には、低負荷運転時には、図１５（ｂ）に示すように、第１燃料噴射弁14ａ、第２燃料噴射弁14ｂより燃料を噴射して、主室２内の副室３側に低オクタン価燃料を、主室２内の主室点火プラグ17側に高オクタン価燃料を供給（配置）する。

そして、副室点火プラグ15を先に駆動し、これに遅れて主室点火プラグ17を駆動する。これにより、まず副室３からトーチ火炎が噴出し、このトーチ火炎と、主室点火プラグ15ｃにより開始された火炎伝播面とが主室２内の主室点火プラグ17側（すなわち、高オクタン価燃料が配置された側）で衝突する。この結果、高オクタン価燃料の燃焼が促進されると共に、この高オクタン価燃料の燃焼によって低オクタン価燃料の自着火が誘発され、超リーン空燃比であっても安定した燃焼を実現して未燃ＨＣの生成を抑制できる。また、従来の機関に比べて更なるリーン運転領域の拡大が可能となる。

なお、本実施形態においても、図１６に示すように、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とのオクタン価の差（ＲＯＮ勾配）が小さいほど副室点火プラグ15の点火時期と主室点火プラグ17の点火時期との位相差を小さくし、トーチ火炎と火炎伝播面との衝突位置を主室２の中心側に近づけるようにしてもよいことはもちろんである。また、本実施形態においては、高負荷運転時には高オクタン価燃料の割合を増大させるのが好ましい。

ところで、以上説明した実施形態では燃料を吸気ポートに噴射しているが、筒内に直接燃料を噴射する２つの燃料噴射弁を設け、この２つの燃料噴射弁によって主室２内に低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とを配置するようにしてもよい。

また、点火時期の位相差や副室への水素供給量を制御することによって主室２内における２つの火炎（第１トーチ火炎と第２トーチ火炎、トーチ火炎と火炎伝播面）の衝突位置を制御（変更）することを示したが、これに限るものではない。例えば、点火プラグに供給する点火エネルギーに差を設けることで２つのトーチ火炎の衝突位置を制御するようにしてもよい。例えば、上記第１実施形態において、第１点火プラグ15ａに供給する点火エネルギーを第２点火プラグ15ｂに供給する点火エネルギーよりも大きくすれば、第１トーチ火炎と第２トーチ火炎とを主室２内の第２副室３ｂ側で衝突させることができる。また、点火プラグと連通路の位置関係を変えてトーチ火炎の噴出時期を変更し、これにより、２つのトーチ火炎の衝突位置を制御するようにしてもよい。

さらに、上記各実施形態では、主室２内において２つの火炎を衝突させる構成を示しているが、３つ以上の火炎を衝突させるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る副室式内燃機関を示す図である。 第１実施形態に係る制御フローチャートである。 点火時期の位相差Δｔの設定テーブル例を示す図である。 補正係数Ｋの設定テーブル例を示す図である。 第１実施形態の作用（低負荷運転時）を説明するための図である。 低負荷運転時の熱発生履歴を示す図である。 第１実施形態の作用（低負荷運転時）を説明するための図である。 第１実施形態の作用（高負荷運転時）を説明するための図である。 高負荷運転時の熱発生履歴を示す図である。 第１実施形態の作用（高負荷運転時）を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る副室式内燃機関を示す図である。 第２実施形態に係る制御フローチャートである。 水素供給量差ΔＭの設定テーブル例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る副室式内燃機関を示す図である。 第３実施形態の作用（低負荷運転時）を説明するための図である。 第３実施形態の作用（低負荷運転時）を説明するための図である。

符号の説明

１…副室式内燃機関、２…主室、３…副室、３ａ…第１副室、３ｂ…第２副室、４ａ，４ｂ…連通路、14ａ…第１燃料噴射弁（第１燃料供給手段）、14ｂ…第２燃料噴射弁（第２燃料供給手段）、15…副室点火プラグ（副室点火手段）、15ａ…第１点火プラグ（第１点火手段）、15ｂ…第２点火プラグ（第２点火手段）、17…主室点火プラグ（主室点火手段）、20…コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）、21…アクセル開度センサ、22…エアフローメータ、23…水温センサ、24…回転速度センサ、25…第１燃料性状センサ（第１オクタン価検出手段）、26…第２燃料性状センサ（第２オクタン価検出手段）、31ａ，31ｂ…水素供給路、32ａ，32ｂ…水素量制御手段

Claims (15)

1. 主たる燃焼室である主室と、連通路を介して前記主室に連通する少なくとも１つの副室とを有する副室式内燃機関であって、
   前記主室内の一方側に低オクタン価燃料を供給し、他方側に高オクタン価燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記主室内に前記副室から噴出するトーチ火炎を含む複数の火炎を前記主室内の一方側と他方側とにおいて発生させると共に該複数の火炎を衝突させて該主室内の混合気を燃焼させる燃焼制御手段と、を備え、
   前記燃焼制御手段は、運転状態に応じて前記複数の火炎の衝突位置を制御することを特徴とする副室式内燃機関。
2. 前記燃焼制御手段は、低負荷運転時に前記複数の火炎を前記主室内の前記高オクタン価燃料が供給された側で衝突させることを特徴とする請求項１記載の副室式内燃機関。
3. 主たる燃焼室である主室と、
   それぞれが連通路を介して前記主室と連通し、互いに対向するように配置された第１副室及び第２副室と、
   前記主室内の前記第１副室側に低オクタン価燃料を供給する第１燃料供給手段と、
   前記主室内の前記第２副室側に高オクタン価燃料を供給する第２燃料供給手段と、
   前記第１副室内の混合気を点火する第１点火手段と、
   前記第２副室内の混合気を点火する第２点火手段と、
   運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態に応じて、前記第１点火手段の点火によって第１副室から前記主室内に噴出する第１トーチ火炎と、前記第２点火手段の点火によって前記第２副室から前記主室内に噴出する第２トーチ火炎との衝突位置を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の副室式内燃機関。
4. 前記制御手段は、低負荷運転時に前記第１トーチ火炎と前記第２トーチ火炎とを前記主室内の前記第２副室側で衝突させることを特徴とする請求項３記載の副室式内燃機関。
5. 前記制御手段は、高負荷運転時に前記第１トーチ火炎と前記第２トーチ火炎とを前記主室内の前記第１副室側で衝突させることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の副室式内燃機関。
6. 前記低オクタン価燃料のオクタン価を検出する第１オクタン価検出手段と、
   前記高オクタン価燃料のオクタン価を検出する第２オクタン価検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記高オクタン価燃料と前記低オクタン価燃料とのオクタン価の差が小さいほど、前記第１トーチ火炎と前記第２トーチ火炎との衝突位置を前記主室の中心に近づけることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の副室式内燃機関。
7. 前記制御手段は、前記第１点火手段の点火時期と前記第２点火手段の点火時期との位相差を制御することによって前記第１トーチ火炎と前記第２トーチ火炎との衝突位置を制御することを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
8. 前記第１副室及び前記第２副室の少なくとも一方に水素を供給可能な水素供給手段を備え、
   前記制御手段は、前記第１副室への水素供給量と前記第２副室への水素供給量の差を制御することによって前記第１トーチ火炎と前記第２トーチ火炎との衝突位置を制御することを特徴とする請求項３〜７のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
9. 前記制御手段は、低負荷運転時においては、前記第１副室のみに水素を供給し、又は、前記第１副室への水素供給量を前記第２副室への水素供給量よりも多くすることを特徴とする請求項８記載の副室式内燃機関。
10. 前記制御手段は、前記第１点火手段への点火エネルギーと第２点火手段への点火エネルギーとの差を制御することによって前記第１トーチ火炎と前記第２トーチ火炎との衝突位置を制御することを特徴とする請求項３〜８のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
11. 主たる燃焼室である主室と、
    前記主室内の混合気を点火する主室点火手段と、
    連通路を介して前記主室と連通し、前記主室点火手段に対向するように配置された副室と、
    前記副室内の混合気を点火する副室点火手段と、
    前記主室内の前記副室側に低オクタン価燃料を供給する第１燃料供給手段と、
    前記主室内の前記主室点火手段側に高オクタン価燃料を供給する第２燃料供給手段と、
    運転状態を検出する運転状態検出手段と、
    運転状態に応じて、前記副室点火手段の点火によって前記副室から前記主室内に噴出するトーチ火炎と、前記主室点火手段の点火によって開始される火炎伝播との衝突位置を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の副室式内燃機関。
12. 前記制御手段は、低負荷運転時に前記トーチ火炎と前記火炎伝播とを前記主室内の前記主室点火手段側で衝突させることを特徴とする請求項１１記載の副室式内燃機関。
13. 主たる燃焼室である主室と、連通路を介して前記主室に連通する少なくとも１つの副室とを有する副室式内燃機関の燃焼方法であって、
    前記主室内の一方側に低オクタン価燃料を供給し、他方側に高オクタン価燃料を供給するステップと、
    前記主室内に、前記副室から噴出するトーチ火炎を含む複数の火炎を発生させ、該複数の火炎を衝突させて該主室内の混合気を燃焼させるステップと、含み、
    低負荷運転時に、前記複数の火炎を前記主室内の前記高オクタン価燃料が供給された側で衝突させることを特徴とする副室式内燃機関の燃焼方法。
14. 主たる燃焼室である主室と、互いに対向するように配置された第１副室及び第２副室とを有する副室式内燃機関の燃焼方法であって、
    前記主室内の前記第１副室側に低オクタン価燃料を供給し、前記第２副室側に高オクタン価燃料を供給するステップと、
    前記第１副室から前記主室内に第１トーチ火炎を噴出させる共に前記第２副室から前記主室内に第２トーチ火炎を噴出させ、前記第１トーチ火炎と前記第２トーチ火炎と衝突させて該主室内の混合気を燃焼させるステップと、を含み、
    低負荷運転時に、前記第１トーチ火炎と前記第２トーチ火炎とを前記主室内の前記第２副室側で衝突させることを特徴とする請求項１３記載の副室式内燃機関の燃焼方法。
15. 主たる燃焼室である主室と、該主室内の混合気を点火する主室点火手段に対向するように配置された副室とを有する副室式内燃機関の燃焼方法であって、
    前記主室内の前記副室側に低オクタン価燃料を供給し、前記主室点火手段側に高オクタン価燃料を供給するステップと、
    前記副室から前記主室内にトーチ火炎を噴出させると共に前記主室点火手段の点火によって火炎伝播を開始させ、前記トーチ火炎と前記火炎伝播と衝突させて該主室内の混合気を燃焼させるステップと、を含み、
    低負荷運転時に、前記トーチ火炎と前記火炎伝播とを前記主室内の前記主室点火手段側で衝突させることを特徴とする請求項１３記載の副室式内燃機関の燃焼方法。

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