JP2010229961A

JP2010229961A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2010229961A
Application number: JP2009081048A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Omura; 哲生大村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-14

Abstract

【課題】内燃機関が６サイクル運転を行う場合に、第２燃焼への過剰熱量の供給を防ぎ、熱効率を向上することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関２０であって、内燃機関２０の筒内に水素燃料を噴射する水素用直噴インジェクタ５と、内燃機関２０の筒内にガソリン燃料を噴射するガソリン用直噴インジェクタ６と、燃料に点火するための点火プラグ７と、水素燃料を筒内に噴射するように水素用直噴インジェクタ５を制御し、第１圧縮行程中に水素に点火して水素を超希薄燃焼させるように点火プラグ７を制御し、点火プラグ７によって水素に点火した後、ガソリン燃料を筒内に噴射するようにガソリン燃料噴射弁を制御するエンジンＥＣＵ１００とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に関する。特に、吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、排気行程を順次実行する内燃機関に関する。

内燃機関は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程などの行程を繰り返し実行する。内燃機関の稼働中に、これらの行程を実施するタイミングによって、内燃機関は、２サイクル内燃機関、４サイクル内燃機関、６サイクル内燃機関などに分類される。６サイクル内燃機関は、吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、排気行程を順次実行する。

特許文献１には、吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程を経て燃料をリーン空燃比で希薄層状燃焼させる第１燃焼過程と、第１燃焼過程で発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射するとともに第２圧縮行程、第２膨張行程を経て追加燃料を燃焼させる第２燃焼過程を備える６サイクル内燃機関が開示されている。

特開２００１−３３６４３５号公報

ところで、特許文献１に示される６サイクル内燃機関は、可燃範囲の狭いガソリン単体を燃料として使用しているため、第１回目のＳＩ(Spark Ignition)燃焼時に最低でも当量比０．５以上にせざるを得ない。そのため、第１回目の燃焼での発熱量が多くなるため第２圧縮行程開始時の温度が高くなりすぎてしまい、第２燃焼であるＨＣＣＩ(Homogeneous Charge Compression Ignition)燃焼の早期着火が起こり、熱効率の低下とノッキングが生じてしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関が６サイクル運転を行う場合に、第２燃焼への過剰熱量の供給を防ぎ、熱効率を向上することができる内燃機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関であって、前記内燃機関の筒内に水素燃料を噴射する水素燃料噴射弁と、前記内燃機関の筒内にガソリン燃料を噴射するガソリン燃料噴射弁と、燃料に点火するための点火プラグと、水素燃料を筒内に噴射するように前記水素燃料噴射弁を制御し、前記第１圧縮行程中に水素に点火して水素を超希薄燃焼させるように前記点火プラグを制御し、前記点火プラグによって水素に点火した後、ガソリン燃料を筒内に噴射するように前記ガソリン燃料噴射弁を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関が６サイクル運転を行う場合に、第２燃焼への過剰熱量の供給を防ぎ、熱効率を向上することができる。

本発明を適用する内燃機関の一例を示す図である。６サイクル運転の概要を示す図である。第１燃料噴射割合と冷却損失割合との関係を示した図である。エンジンＥＣＵが実行する処理の一例を示すフローチャートである。第１燃料噴射割合を求めるためのフィードバック制御を示すブロック図である。第１燃料噴射割合と、第２圧縮行程の開始温度と、ＨＣＣＩ燃焼時期との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明を適用する内燃機関の一例を示す図である。本発明の実施例１に係る内燃機関２０は、燃焼室で燃料を燃焼させて動力を出力する。
内燃機関２０において、燃焼室に空気を吸入するための吸気管１１には、電磁駆動する吸気弁４が設けられている。空気は、吸気弁４が開いている間、燃焼室に導入される。吸気管１１は、サージタンク３に接続され、サージタンク３は吸気ダクト１２に接続されている。吸気ダクト１２内には、エアフローメータ１とスロットル弁２とが配置されている。

また、内燃機関２０は、点火プラグ７と、筒内に向けて水素燃料を直接噴射する水素用直噴インジェクタ５と、筒内に向けてガソリン燃料を直接噴射するガソリン用直噴インジェクタ６とを備える。各インジェクタから噴射される燃料の量及び燃料の噴射タイミングは、エンジンＥＣＵ１００によって制御される。また、点火プラグ７による点火タイミングについても、エンジンＥＣＵ１００によって制御される。

気筒内には筒内の圧力を検知する筒内圧センサ８が設けられ、エンジンＥＣＵ１００に筒内圧の情報が入力される。さらに、クランクには、クランク角度センサ１０が設けられ、クランク角度の情報がエンジンＥＣＵ１００に入力される。

また、燃焼室から空気を排出するための排気管１３には、エンジンＥＣＵ１００の制御によって電磁駆動する排気弁９が設けられる。

こうした内燃機関２０の各種制御は、内燃機関制御用のエンジンＥＣＵ１００により行われる。エンジンＥＣＵ１００は、機関制御に係る各種演算処理を実施するＣＰＵ（中央演算処理装置）、内燃機関制御用のプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ（読込専用メモリ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、外部との信号の授受を行うためのＩ／Ｏ（入出力ポート）を備えて構成されている。

エンジンＥＣＵ１００は、エアフローメータ１から吸入空気量を、筒内圧センサ８から筒内圧を、クランク角度センサ１０からクランク角度を取得する。また、エンジンＥＣＵ１００は、回転数センサ１４から内燃機関回転数を、負荷センサ１５から内燃機関負荷の情報を取得する。
エンジンＥＣＵ１００は、取得した情報に基づいて、水素用直噴インジェクタ５から噴射する水素の量及びタイミングを算出し、水素用直噴インジェクタ５を制御する。また、水素用直噴インジェクタ５が筒内に水素を噴射した後、点火プラグ７を用いて水素に点火するタイミングを算出し、点火プラグ７を制御する。エンジンＥＣＵ１００は点火プラグ７による点火によって燃焼した後、ガソリン用直噴インジェクタ６から噴射するガソリンの量及びタイミングを算出し、ガソリン用直噴インジェクタ６を制御する。

次に、図２を用いて内燃機関２０が実行する６サイクル運転について説明する。この運転は、図２に示すように、吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、排気行程が順次実行される。内燃機関２０は、吸気弁４を開けて燃焼室に空気を導入すると共に、水素用直噴インジェクタ５から筒内に水素を噴射する。そして、内燃機関２０は、第１圧縮行程にて点火プラグ７を用いて水素燃料への点火を行う。これにより、第1回目の燃焼が実行される。
以後、第１回目の燃焼のために噴射する燃料（本実施例では水素）を第１燃料と、点火プラグ７の点火による燃焼をＳＩ燃焼と記載する。

次に、内燃機関２０は、第１膨張行程でガソリン用直噴インジェクタ６から筒内にガソリンを噴射する。そして、内燃機関２０は圧縮行程を実行し、自着火により第２回目の燃焼（第２燃焼）が起こる。以後、第２燃焼のために噴射する燃料（本実施例ではガソリン）を第２燃料といい、自着火による燃焼をＨＣＣＩ燃焼と記載する。
内燃機関２０は、ＨＣＣＩ燃焼の後、第２膨張行程を経て、排気弁９を開けて排気を行う排気行程を実行する。

次に、図３を用いて、第１燃料の噴射量（第１燃料噴射量）が第１燃料及び第２燃料の総量（全体量）に占める割合と、冷却損失が全投入熱量に占める割合との関係について説明する。

図３から、第１燃料噴射量が全体量に占める割合が少ないほど、冷却損失が少ない、つまり、熱効率が高いことがわかる。ここで、水素燃料の可燃範囲は、当量比で約０．１〜７．１７である。従って、水素を第１の燃焼に使用する燃料として用いることで、超希薄燃焼が可能となるため、熱効率を高めることができる。

実施例１では、吸気行程中に筒内に直噴した水素をＳＩ燃焼用の燃料として用い、超希薄燃焼させることで、冷却損失の増加が防止され、ＨＣＣＩ燃焼への過剰熱量の供給が防止される。その結果、内燃機関２０の熱効率が向上する。

実施例１では、ＳＩ燃焼用の燃料として水素を用いることで、内燃機関２０の熱効率を向上させることについて説明した。ところで、ＨＣＣＩ燃焼はその燃焼時期が外気温や燃焼室温度などの様々な要因に影響を受けるため、ノッキングや失火による燃費性能および排ガス性能の低下を招かないためにも、ＨＣＣＩ燃焼時期を制御する手法が必要となる。
そこで、実施例２では、ＨＣＣＩ燃焼時期を制御する機能を有するエンジンＥＣＵを備えた内燃機関２０について説明を行う。

実施例２における内燃機関の構成は、エンジンＥＣＵ１００が行う制御を除き、実施例１と異なるところがないため、ここでは、エンジンＥＣＵ１００が実行する制御について説明する。

図４を用いて、エンジンＥＣＵ１００が実行する制御処理について説明する。図４は、エンジンＥＣＵ１００が実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。
エンジンＥＣＵ１００は、まず、内燃機関２０の運転状態が６サイクル運転の運転領域であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。内燃機関２０の運転状態が６サイクル運転の運転領域であるか否かは、内燃機関回転数と内燃機関負荷とを用いて予め決められたマップにより決定する。

エンジンＥＣＵ１００は、内燃機関２０の運転状態が６サイクル運転領域でない場合（ステップＳ１０／ＮＯ）、４サイクル運転を実行するように内燃機関２０の各要素を制御する（ステップＳ１１）。そして、エンジンＥＣＵ１００は、本制御処理を終了する。

エンジンＥＣＵ１００は、内燃機関２０の運転状態が６サイクル運転領域にある場合（ステップＳ１０／ＹＥＳ）、６サイクル運転を開始する（ステップＳ１２）。
エンジンＥＣＵ１００は、筒内圧センサ８からの入力により筒内圧を検出し、筒内圧からＨＣＣＩ燃焼時期を算出する（ステップＳ１３）。

次に、エンジンＥＣＵ１００は、エアフローメータ１から吸入空気量を取得し、当量比が１となるために供給する燃料の全体量（全体供給燃料量）を算出する。ここで、当量比が１となるために供給しなければならない燃料の全体量とは、ＳＩ燃焼に使用する水素の量と、ＨＣＣＩ燃焼に使用するガソリン量との和である（ステップＳ１４）。

エンジンＥＣＵ１００は、内燃機関回転数および内燃機関負荷の情報から、運転マップを用いて、水素用直噴インジェクタ５から噴射する第１燃料（水素）の量が全体供給燃料量に占める割合（第１燃料噴射割合）を求める。さらに、エンジンＥＣＵ１００は、ステップＳ１３で求めたＨＣＣＩ燃焼時期とＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値とを比較した比較結果をフィードバックして、第１燃料噴射割合を決定する（ステップＳ１５）。本フィードバック制御については、後述する。

エンジンＥＣＵ１００は、第１燃料噴射割合が決定すると、ステップＳ１４で求めた全体供給燃料量と第１燃料噴射量（全体供給燃料量と第１燃料噴射割合とから算出できる）とから、第２燃料噴射割合を決定する（ステップＳ１６）。そして、エンジンＥＣＵ１００は本処理を終了する。

図５は、図４のステップＳ１５において第１燃料噴射割合を決定するフィードバック制御の概要を示すブロック図である。
まず、エンジンＥＣＵ１００は、内燃機関回転数および内燃機関負荷の情報を用いて、運転マップ１１０から第１燃料噴射割合を求める。運転マップ１１０は、内燃機関回転数および内燃機関負荷に基づいて、水素噴射割合が予め定められているマップである。

また、エンジンＥＣＵ１００は、運転マップ１１０により求めた第１燃料噴射割合にて内燃機関２０に６サイクル運転を実行させ、クランク角度と同期した筒内圧を筒内圧センサ８から取得する。そして、図４のステップＳ１３で述べたように、筒内圧からＨＣＣＩ燃焼時期を算出する。
エンジンＥＣＵ１００は、算出したＨＣＣＩ燃焼時期とＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値とを比較し、その比較結果（フィードバック結果１２０）に基づいて、第１燃料噴射割合を変更する。

その後、エンジンＥＣＵ１００は、変更した第１燃料噴射割合によって内燃機関を運転して再び取得できるフィードバック結果１２０に基づいて、第１燃料噴射割合を変更する処理を繰り返す。

ここで、図６を用いて、第１燃料噴射割合による、第２圧縮行程の開始温度及びＨＣＣＩ燃焼時期の変化について説明する。図６において、左軸は第２圧縮行程の開始温度、右軸はＨＣＣＩ燃焼時期、横軸は第１燃料の噴射割合を示している。横軸の第１燃料噴射割合は、左に行くほど小さく、すなわち、第２燃料噴射割合が大きくなる。
また、図６中、破線は第２圧縮行程の開始温度と第１燃料噴射割合との関係を示しており、実線はＨＣＣＩ燃焼時期と第１燃料噴射割合との関係を示している。

図６に示されるように、第１燃料噴射割合が小さくなると、つまり、第２燃料噴射割合が大きくなると、第２圧縮行程の開始温度は低くなり、かつ、ＨＣＣＩ燃焼時期は遅角側となる。一方、第１燃料噴射割合が大きくなると、つまり、第２燃料噴射割合が小さくなると、第２圧縮行程の開始温度は高くなり、かつ、ＨＣＣＩ燃焼時期は進角側となる。
つまり、図６から、第１燃料噴射割合を変更することによって、ＨＣＣＩ燃焼時期が制御できることがわかる。

実施例２では、エンジンＥＣＵ１００が第１燃料の噴射割合を変更することにより、第２圧縮行程の開始温度を制御するとともに、ＨＣＣＩ燃焼時期を制御する。ＨＣＣＩ燃焼はその燃焼時期が外気温や燃焼室温度などのさまざまな要因に影響を受けるが、実施例２によれば、第１燃料噴射割合を変更することにより、ＨＣＣＩ燃焼時期を制御できるため、ノッキングや失火による燃費性能および排ガス性能の低下を防止することができる。さらに、実施例２によれば、内燃機関回転数や内燃機関負荷が変化する過渡状態においても、ノッキングや失火に伴う燃費性能や排ガス性能の低下を防ぐことができる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば第１燃料噴射割合の算出や、フィードバック制御はエンジンＥＣＵ１００で実現することが合理的であるが、例えばその他の電子制御装置や専用の電子回路などのハードウェアやこれらの組み合わせによって実現されてもよい。この点、本発明の内燃機関の制御装置は例えば複数の電子制御装置や電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせで実現されてもよい。

１…エアフローメータ
２…スロットル弁
３…サージタンク
４…吸気弁
５…水素用直噴インジェクタ
６…ガソリン用直噴インジェクタ
７…点火プラグ
８…筒内圧センサ
９…排気バルブ
１０…クランク角度センサ
１１…吸気管
１２…吸気ダクト
１３…排気管
１４…回転数センサ
１５…負荷センサ
２０…内燃機関
１００…エンジンＥＣＵ
１１０…運転マップ
１２０…フィードバック結果

Claims

吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関であって、
前記内燃機関の筒内に水素燃料を噴射する水素燃料噴射弁と、
前記内燃機関の筒内にガソリン燃料を噴射するガソリン燃料噴射弁と、
燃料に点火するための点火プラグと、
水素燃料を筒内に噴射するように前記水素燃料噴射弁を制御し、前記第１圧縮行程中に水素に点火して水素を超希薄燃焼させるように前記点火プラグを制御し、前記点火プラグによって水素に点火した後、ガソリン燃料を筒内に噴射するように前記ガソリン燃料噴射弁を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする６サイクル内燃機関。