JP2011153589A - 火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧縮比、高過給、高温の残留ガスを利用する形式の火花点火式内燃機関に利用できるノック制御方法を確立し、そのようなノック制御方法を実施可能な燃料噴射制御装置を提供し、ノッキングの発生を抑制しつつ、燃料の消費を抑制する。
【解決手段】二種類の燃料を噴射供給する火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、二種類の燃料を温度に対するそれぞれの着火遅れ時間が所定の境界温度を境として互い逆転する燃料どうしの組合せとし、火花点火式内燃機関の筒内温度を検知または推定にて求める筒内温度算出手段を設け、制御手段は、二種類の燃料の噴射割合を二種類の燃料の着火遅れ時間が逆転する境界温度に対応する所定の温度と筒内温度算出手段により求められた筒内温度に基づいて制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、特に、ガソリンとエタノールのように二種類の燃料を使用する火花点火式内燃機関において、筒内温度を基準にして各燃料の噴射量を制御してノッキングを適切に抑制できる火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

車両に搭載される火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置には、二種類の燃料を使用し、ノッキング発生が検知された場合に、二種類の燃料のうち第一の燃料を主燃料として利用するとともに、第二の燃料をノッキングを抑制する添加剤として利用するよう制御する制御手段を備えているものがある。
このような火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置としては、特公平３−３７０２９号公報に、吸気ポート内に第一の燃料を主燃料としてガソリンを噴射し、第二の燃料をノッキング抑制添加剤としてエタノールを筒内や吸気ポート内に噴射することで、エタノールの「高いオクタン価」および「ガソリンと比較して高い蒸発潜熱をもつことによる吸入空気の冷却効果」により、火花点火式内燃機関の耐ノック性能を向上することが開示されている。また、「Ｊ．Ｂ．Ｈｅｙｗｏｏｄ他、Ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｅｔｈａｎｏｌ ｂｏｏｓｔｅｄ ｇａｓｏｌｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅｓ：Ｂｉｏｆｕｅｌ ｌｅｖｅｒａｇｉｎｇ ｆｏｒ ｃｏｓｔ ｅｆｆｃｔｉｖｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ａｎｄ ＣＯ_２ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ、 ＭＩＴ ｒｅｐｏｒｔ、 ２００５」にも、同様の技術が記載されている。

特公平３−３７０２９号公報

しかしながら、火花点火式内燃機関は、高圧縮比下、高過給下、高回転下や高残留ガス下等の筒内温度が高い条件下において、リサーチオクタン価（以下「ＲＯＮ」と記す。）が８０から１００程度のガソリンに対してエタノールを添加すると、耐ノック性能が悪化することが明らかになった。なお、ＲＯＮ８０は、イソオクタン８０：ノルマルオクタン２０の混合比であり、ＲＯＮ９６以上がハイオクタンガソリン、ＲＯＮ８９以上がレギュラーガソリンに分類される。
このため、前記特公平３−３７０２９号公報で示されるようなノッキング発生時にエタノールの噴射量を増加させるという単純な制御ではノッキングを回避できず、逆にノッキングが促進されるという欠点がある。また、エタノールの噴射量を単純に増加させるという制御では、エタノールが必要以上に消費されてしまうため、エタノール積載量の増加や燃費の悪化を招くこととなる。

この発明は、高圧縮比、高過給、高温の残留ガスを利用する形式の火花点火式内燃機関に利用できるノック制御方法を確立し、そのようなノック制御方法を実施可能な燃料噴射制御装置を提供すること、ノッキングの発生を抑制しつつ、燃料の消費を抑制することを目的とする。

この発明は、二種類の燃料を噴射供給する火花点火式内燃機関と、この火花点火式内燃機関に発生するノッキングを検知するノック検知手段を備え、このノック検知手段により所定のノッキング発生が検知された場合に、二種類の燃料のうち第一の燃料を主燃料として利用するとともに、第二の燃料をノッキングを抑制する添加剤として利用するよう制御する制御手段を備えた火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、二種類の燃料を温度に対するそれぞれの着火遅れ時間が所定の境界温度を境として互い逆転する燃料どうしの組合せとし、前記火花点火式内燃機関の筒内温度を検知または推定にて求める筒内温度算出手段を設け、前記制御手段は、二種類の燃料の噴射割合を二種類の燃料の着火遅れ時間が逆転する境界温度に対応する所定の温度と前記筒内温度算出手段により求められた筒内温度に基づいて制御することを特徴とする。

この発明の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置は、幅広い運転領域にわたって、ノッキングを適切に抑制できる。また、この発明の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置は、高圧縮比、高過給、高温の残留ガスを利用する形式の内燃機関に適用できる。さらに、この発明の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置は、ノッキングの抑制剤として炭化する第二の燃料の消費量を抑制できる。また、この発明の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置は、二種類の燃料の組み合わせが異なっても、所定の温度の設定で、多くの組み合わせバリエーションに応用可能である。

火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置の制御フローチャートである。（実施例） 火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置のシステム構成を示すブロック図である。（実施例） ノック限界点火時期を示す図である。（実施例） （Ａ）は初期圧力２０ａｔｍにおけるエタノール混合ガソリンの着火遅れ時間を示す図、（Ｂ）は初期圧力５０ａｔｍにおけるエタノール混合ガソリンの着火遅れ時間を示す図である。（実施例） （Ａ）は点火時期を進角させたときのクランク角度に対する筒内圧力の変化を示す図、（Ｂ）は点火時期を進角させたときのクランク角度に対する未燃ガス温度の変化を示す図である。（実施例） 火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置のシステム構成を示すブロック図である。（変形例１） 火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置のシステム構成を示すブロック図である。（変形例２）

以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１〜図５は、この発明の実施例を示すものである。図２において、１は火花点火式内燃機関、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５はコネクティングロッド、６はクランク軸、７は燃焼室、８は吸気ポート、９は排気ポート、１０は吸気通路、１１は排気通路、１２は吸気弁、１３は排気弁、１４はスロットルバルブ、１５は点火プラグである。火花点火式内燃機関１は、第一の燃料を貯留する第一の燃料タンク１６と第二の燃料を貯留する第二の燃料タンク１７と備え、第一の燃料タンク１６の第一の燃料を吸気ポート８に噴射供給する第一の燃料噴射弁１８を備え、第二の燃料タンク１９の第二の燃料を吸気ポート８に噴射供給する第二の燃料噴射弁１９を備えている。第一の燃料噴射弁１８は、スロットルバルブ１４下流側の吸気通路１０に設けている。第二の燃料噴射弁１９は、前記第一の燃料噴射弁１８の下流側の吸気通路１０に設けている。
前記第一の燃料噴射弁１８及び第二の燃料噴射弁１９は、燃料噴射制御装置２０の制御手段２１に接続されている。燃料噴射制御装置２０は、ノッキングを検知するノック検知手段２２をシリンダブロック２に備え、制御手段２１に接続している。制御手段２１は、このノック検知手段２２により所定のノッキング発生が検知された場合に、二種類の燃料のうち第一の燃料を主燃料として利用するとともに、第二の燃料をノッキングを抑制する添加剤として利用するよう制御する。燃料噴射制御装置２０は、第一の燃料である主燃料としてガソリンを利用し、第二の燃料であるノッキング抑制添加剤としてエタノールを利用するよう制御する。
この火花点火式内燃機関１は、第一の燃料噴射弁１８及び第二の燃料噴射弁１９によって異なる二種類の燃料を噴射供給される。燃料噴射制御装置２０は、第一の燃料噴射弁１８及び第二の燃料噴射弁１９を制御し、二種類の燃料の噴射割合を変化させることができる。二種類の燃料の噴射割合は、筒内温度（あるタイミングの温度や最高到達温度、筒内温度履歴など）をもとに制御する。

ここで、燃料噴射制御装置２０において、二種類の燃料の噴射割合を変化させる点について考察する。
例えば、第一の燃料をガソリンとし、第二の燃料をエタノールとし、エタノール混合ガソリンを燃料として利用した火花点火式内燃機関１は、図３に示すように、ノック限界点火時期（ノックの発生しない最進角点火時期）を有している。ここで、図３中のＥ２０は、ガソリンとエタノールとの体積比が８０対２０の混合燃料を意味する。ガソリンに対するエタノールの混合割合を増加させていくと、点火時期を進角していくことができるが、ある混合割合（Ｅ８０）を越えると、進角できなくなることがわかる。条件によっては、逆に遅角せざるをえなくなる場合もある。
これは、図４に示すように、ガソリンにエタノールを混合すると、ある温度（境界温度）を境に、低温側は着火遅れ時間（燃料混合気をある温度下において着火するまでの時間を測定したもの）が長くなるが、高温側は着火遅れ時間が短くなることによる。ノックが図４の低温側で生じる場合は、低温側の着火遅れ時間の長いエタノール割合を増加させることでノックが抑制されて点火時期は進角できる。

しかし、エタノールを増加して点火時期を進角していくと、図５（Ａ）に示すように、同時に筒内圧力が最大圧力となる点も圧縮上死点に近いところへ進角していくこととなる。このため、図５（Ｂ）に示すように、筒内の未燃ガス圧力および温度は上昇し、ノックは図４の高温側で発生するようになる。図４の高温側では、エタノールの着火遅れ時間がガソリンよりも短いため、エタノール割合の増加はノックを促進させることとなるため、点火時期を遅角せざるを得なくなる。
これにより、エタノール混合割合を増加させていった場合のノック限界点火時期は、図３のような傾向を示すこととなる。また、高圧縮比や高過給、高温の残留ガスを利用する形式の火花点火式内燃機関では、点火時期近傍の筒内温度が図４の高温側に入っている場合もあり、このような条件下でのエタノール増加は耐ノック性能を即座に悪化させることとなる。
以上のことから、二種類の燃料の噴射供給する火花点火式内燃機関１において、ノック発生時に単純にエタノール噴射量を増加させていくという制御には、欠点があることがわかる。

そこで、この火花点火式内燃機関１の燃料噴射制御装置２０は、上記を鑑み、ガソリンを主燃料（第一の燃料）とし、エタノールをノッキング抑制添加剤（第二の燃料）とした場合に、筒内温度に基づきエタノールの噴射量を制御する。
火花点火式内燃機関１の燃料噴射制御装置２０は、図２に示すように、シリンダブロック２に筒内温度センサ２３、筒内圧力センサ２４を備え、スロットルバルブ１４のスロットル開度を検出するスロットル開度センサ２５を備え、スロットルバルブ１４上流側の吸気通路１０に吸気流量センサ２６を備え、スロットルバルブ１４下流側の吸気通路１０に吸気温度センサ２７、吸気圧力センサ２８を備え、排気通路１１に排気温度センサ２９、空燃比センサ３０を備え、クランク軸６のクランク角度を検出するクランク角センサ３１を備えている。制御手段２１は、これら各センサ２３〜３１から検出信号を入力し、二種類の燃料を温度に対するそれぞれの着火遅れ時間が所定の境界温度（図４参照）を境として互い逆転する燃料どうしの組合せとし、二種類の燃料噴射量を制御する。
燃料噴射制御装置２０は、制御手段２１に火花点火式内燃機関１の筒内温度（燃焼室内温度）を検知または推定にて求める筒内温度算出手段３２を設けている。筒内温度算出手段３２は、火花点火式内燃機関１の筒内温度を直接的に検知する筒内温度センサ２３を用いて求める筒内温度検知推定手段、あるいは、同じく筒内温度を筒内温度センサ２３以外の検出値を用いて推定演算にて求める筒内温度算出手段のいずれかによって構成する。前記制御手段２１は、二種類の燃料の噴射割合を、二種類の燃料の着火遅れ時間が逆転する境界温度に対応する所定の温度と、筒内温度算出手段３２により求められた筒内温度に基づいて制御する。
前記筒内温度算出手段３２は、筒内温度センサ２３により筒内温度測定して求め、もしくは、吸気流量センサ２６、吸気温度センサ２７、排気温度センサ２９の測定値により気体の状態方程式（ｐｖ＝ｍＲＴ）や、下記の式１のようなエネルギ保存式をもとにして筒内温度を予測する。

ここで、Ｃｐは定圧比熱、ｍは質量、Ｔは温度を示し、添え字のａｉｒは空気、ｆｕｅｌは燃料、ｒｇは残留ガスを示す。また添え字のｉｎは、吸入時を意味する。
また、燃料噴射制御装置２０は、制御手段２１に点火時期制御手段３３と、スロットル開度制御手段３４とを備えている。点火時期制御手段３３とスロットル開度制御手段３４とは、二種類の燃料の噴射割合を境界温度と筒内温度に基づいて制御する際に、それぞれ点火プラグ１５の点火時期とスロットルバルブ１４のスロットル開度とを制御する。

前記二種類の燃料は、図４に示すように、着火遅れ時間の関係が高温側と低温側で逆転する燃料の組み合わせであれば、どのような燃料であってもその交差する温度以上にＴｍａｘを設定する。
二種類の燃料としてガソリンとエタノールの組み合わせの場合は、エンジン諸元や運転条件によってことなるが、図４に示すように、着火遅れ時間が低温側と高温側で逆転する温度は７００Ｋ〜１２００Ｋ（図４では約１０００Ｋ（１２００Ｋは省略））の間となるため、制御で使用する境界温度に対応する所定の温度Ｔｍａｘをこの範囲で設定する。
なお、所定の温度Ｔｍａｘは、筒内圧力、空燃比などパラメータにより変化するため、これらパラメータ基づく所定の温度Ｔｍａｘの補正マップ３５を制御手段２１に設定している。もしくは、所定の温度Ｔｍａｘをそれらの関数として定義しても良い。

前記筒内温度算出手段３２による筒内温度の算出については、（１）．筒内温度センサ２３を利用する場合と、（２）．各種センサの検出値により予測する場合とがある。

（１）．筒内温度センサ２３を利用する場合
筒内にエタノールを噴射する火花点火式内燃機関１の場合は、以下の（ａ）．（ｂ）．のような制御方法がある。

（ａ）．筒内にエタノールを噴射するサイクルにおいて、噴射前の筒内温度、例えば吸気閉弁時の筒内温度Ｔｉｖｃを筒内温度センサ２３で計測し、既知である吸気弁１２閉時の筒内容積Ｖｉｖｃ、および任意のタイミングにおける筒内容積Ｖｔｒｇをもとに、ポリトロープ変化を仮定してＴｉｖｃＶｉｖｃ^Ｎ−１＝ＴｔｒｇＶｔｒｇ^Ｎ−１の関係から任意の筒内温度Ｔｔｒｇ、例えば現在のサイクルにおける点火時期での筒内温度などを算出する。
その後、Ｗｅｉｂｅ関数（Ｘｂ＝１−ｅｘｐ［−ａ（（ｃ−ｃ０）／△ｃ）^ｍ＋１］、ここで、ｃはクランク角度、ｃ０は燃焼開始時期、△ｃは燃焼期間、ａおよびｍは調整パラメータ）などを用いて燃焼割合（既燃ガス質量割合）Ｘｂを予測し、消費された燃料のエンタルピと燃焼室容積の変化から燃焼期間中の既燃ガス温度Ｔｂ、未燃ガス温度Ｔｕｂ、および筒内圧力を予測する。この未燃ガス温度Ｔｕｂを筒内温度Ｔｃｙｌとして、境界温度に対応する所定の温度Ｔｍａｘとの比較を行い、本サイクルにおける各燃料の噴射量を制御する。

（ｂ）．任意のタイミングにおける筒内温度、例えばノック発生前の未燃ガス温度Ｔｕｂを筒内温度センサ２３で計測し、この未燃ガス温度Ｔｕｂを筒内温度Ｔｃｙｌとして、所定の温度Ｔｍａｘとの比較を行い、次サイクルにおける各燃料の噴射量を制御する。

（２）．各種センサにより筒内温度を予測する場合
筒内温度センサ２３を利用する場合と制御方法は変わらないが、筒内温度を直接計測しないため、各種センサから得られた情報をもとに算出する。
筒内温度の予測方法として、前記式１のエネルギ保存式を利用して算出するには、新気量ｍ＿ａｉｒと新気定圧比熱Ｃｐ＿ａｉｒを算出するために吸気流量センサ２６および吸気温度センサ２７、筒内残留ガス量ｍ＿ｒｇと筒内残留ガス定圧比熱Ｃｐ＿ｒｇを算出するために排気温度センサ２９、燃料量ｍ＿ｆｕｅｌと燃料定圧比熱Ｃｐ＿ｆｕｅｌを算出するために空燃比センサ３０を用いる。
新気量ｍ＿ａｉｒは、吸気温度センサ２７により計測された吸気温度Ｔ＿ａｉｒをもとに算出する新気の密度と、吸気流量センサ２６により計測された１サイクル当たりの体積流量との積により求められる。新気定圧比熱Ｃｐ＿ａｉｒは、吸気温度Ｔ＿ａｉｒから熱力学テーブルにもとづき算出される。
筒内残留ガス量ｍ＿ｒｇは、例えば排気弁１３閉時の排気温度を残留ガス温度Ｔ＿ｒｇと仮定し、既知である排気弁１３閉時の体積から、気体の状態方程式をもとに算出する。状態方程式で必要な排気弁１３閉時の筒内圧力は、筒内圧力センサ２４、もしくは、排気圧力センサによる計測をもとにしても良いし、大気圧と仮定して求めるなども考えられる。筒内残留ガス定圧比熱Ｃｐ＿ｒｇは、排気温度から熱力学テーブルにもとづき算出される。
燃料流量ｍ＿ｆｕｅｌは、空燃比センサ３０で計測された空燃比と新気量ｍ＿ａｉｒから求められる。また、空燃比センサ３０が無い場合は、制御手段２１による噴射期間からも算出できる。燃料定圧比熱Ｃｐ＿ｆｕｅｌは、常温を仮定して熱力学テーブルにもとづき算出するなどが考えられる。また、燃料温度を計測する場合は、その温度にもとづき算出すればよい。
以上により、吸気閉１２弁時の筒内温度Ｔｉｖｃが求まり、その後、既知である吸気弁１２閉時の筒内容積Ｖｉｖｃおよび任意のタイミングにおける筒内容積Ｖｔｒｇをもとに、ポリトロープ変化を仮定してＴｉｖｃＶｉｖｃ^Ｎ−１＝ＴｔｒｇＶｔｒｇ^Ｎ−１の関係から任意の筒内温度Ｔｔｒｇを求める。なお、壁面からの熱損失をＷｏｓｃｈｎｉの式など利用して考慮して、混合気の比熱比をもとに筒内温度を算出する方法などもある。

次に、作用を説明する
火花点火式内燃機関１の燃料噴射制御装置２０は、第一の燃料と第二の燃料との二種類の燃料の境界温度に対応する所定の温度と、筒内温度算出手段３１により求められた筒内温度に基づいて、図１に示すように、二種類の燃料の噴射割合を制御する。
二種類の各燃料の噴射量は、合計で目標空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１に調整する）となるように増減制御する。この目標空燃比は、常に理論空燃比（空気過剰率λ＝１）に維持しなければならないわけではなく、運転状態に応じてリッチ／リーンへの補正は可能である。すなわち、第一の燃料（ガソリン）の増加分と第二の燃料（エタノール）の減少分を空燃比が等価となるように、また、第一の燃料（ガソリン）の減少分と第二の燃料（エタノール）の増加分を空燃比が等価となるように、対応させた噴射量として、トータルで理論空然比となるように増減制御する。

火花点火式内燃機関１の燃料噴射制御装置２０は、図１に示すように、制御がスタートすると（Ｓ０１）、筒内温度Ｔｃｙｌを計算し（Ｓ０２）、ノックＫＩ有無を計算し（Ｓ０３）、ノック強度ＫＩが所定値Ａを越えているか（ＫＩ＞Ａ）を判断する（Ｓ０４）。
この判断（Ｓ０４）がＹＥＳ（ノック強度ＫＩが所定値Ａより大きい）の場合は、筒内温度Ｔｃｙｌが境界温度に対応する所定の温度Ｔｍａｘを越えているか（Ｔｃｙｌ＞Ｔｍａｘ）を判断する（Ｓ０５）。この判断（Ｓ０５）がＮＯ（筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより低い）場合は、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが所定値ｔｉ＿ｅ＿ｍａｘ（第二の燃料の上限判定値）未満であるか（ｔｉ＿ｅ＜ｔｉ＿ｅ＿ｍａｘ）を判断する（Ｓ０６）。
この判断（Ｓ０６）がＹＥＳ（エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが上限判定値ｉ＿ｅ＿ｍａｘより少ない）の場合は、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅをステップａで漸増させる（Ｓ０７）。この処理（Ｓ０７）においては、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅのステップａでの増加に対して、ガソリンの噴射量（噴射期間）ｔｉ＿ｇをステップｂで減少させ、目標空燃比（空気過剰率λ＝１を基本とする）に調整する。
これにより、燃料噴射制御装置２０は、ノック検出手段２２により検出されたノック強度（頻度）ＫＩが所定値Ａより大きく、また、筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより低く、かつ、エタノール噴射量（噴射期間）ｔｉ＿ｅが所定値ｔｉ＿ｅ＿ｍａｘ（第二燃料の上限判定値）よりも少ない場合は、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅをステップａで増加させる。（ｃａｓｅ１）

一方、前記判断（Ｓ０５）がＹＥＳ（筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより高い）場合は、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが所定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎ（第二の燃料の下限判定値）未満であるか（ｔｉ＿ｅ＜ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎ）を判断する（Ｓ０８）。
この判断（Ｓ０８）がＮＯ（エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより多い）の場合は、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅをステップａで漸減させる（Ｓ０９）。この処理（Ｓ０９）においては、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅのステップａでの減少に対して、ガソリンの噴射量（噴射期間）ｔｉ＿ｇをステップｂで増加させ、空気過剰率λ＝１に調整する。なお、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅは、漸減でなく、全量カット（ｔｉ＿ｅ＝０）としても良い。
これにより、燃料噴射制御装置２０は、ノック検出手段２２により検出されたノック強度ＫＩが所定値Ａより大きく、また、筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより高く、かつ、エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎよりも多い場合は、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅをステップａで減少せる。（ｃａｓｅ２）

さらに、前記判断（Ｓ０５）がＹＥＳ（筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより高い）場合であって、前記判断（Ｓ０８）がＹＥＳ（エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより少ない）の場合は、点火時期Ｉｇｔをステップｃで漸増させ、あるいは、スロットル開度θをステップｄで漸減させる（Ｓ１０）。
これにより、燃料噴射制御装置２０は、ノック検出手段２２により検出されたノック強度ＫＩが所定値Ａより大きく、また、筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより高く、かつ、エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉｅ＿ｍｉｎよりも少ない場合は、点火時期Ｉｇｔをステップｃで遅角させるか、スロットル開度θをステップｄで減少させるという制御を行う。（ｃａｓｅ３）

また、前記判断（Ｓ０５）がＮＯ（筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより低い）場合であって、前記判断（Ｓ０６）がＮＯ（エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが上限判定値ｉ＿ｅ＿ｍａｘより多い）の場合は、点火時期Ｉｇｔをステップｃで漸増させ、あるいは、スロットル開度θをステップｄで漸減させる（Ｓ１１）。
これにより、燃料噴射制御装置２０は、ノック検出手段２２により検出されたノック強度ＫＩが所定値Ａより大きく、また、筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより低く、かつ、エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが上限判定値ｔｉｅ＿ｍａｘよりも多い場合は、点火時期Ｉｇｔをステップｃで遅角させるか、スロットル開度θをステップｄで減少させるという制御を行う。（ｃａｓｅ４）

さらにまた、前記判断（Ｓ０４）がＮＯ（ノック強度ＫＩが所定値Ａより小さい）の場合は、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが所定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎ（第二の燃料の下限判定値）未満であるか（ｔｉ＿ｅ＜ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎ）を判断する（Ｓ１２）。
この判断（Ｓ１２）がＮＯ（エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより多い）の場合は、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅをステップａで漸減させる（Ｓ１３）。この処理（Ｓ１３）においては、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅのステップａでの減少に対して、ガソリンの噴射量（噴射期間）ｔｉ＿ｇをステップｂで増加させ、目標空燃比（空気過剰率λ＝１を基本とする）に調整する。
これにより、燃料噴射制御装置２０は、ノック検出手段２２により検出されたノック強度ＫＩが所定値Ａより小さく、かつ、エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎよりも多い場合は、エタノール噴射量ｔｉ＿ｅをステップａで減少させる。（ｃａｓｅ５）

また、前記判断（Ｓ０４）がＮＯ（ノック強度ＫＩが所定値Ａより小さい）の場合であって、前記判断（Ｓ１２）がＹＥＳ（エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより少ない）の場合は、点火時期Ｉｇｔをステップｃで漸減（最適点火時期まで）させ、あるいは、スロットル開度θをステップｄで漸増（スロットル全開まで）させる（Ｓ１４）。
これにより、燃料噴射制御装置２０は、ノック検出手段２２により検出されたノック強度ＫＩが所定値Ａより小さく、かつ、エタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎよりも少ない場合は、点火時期Ｉｇｔをステップｃで進角させるか、スロットル開度θをステップｄで増加させるという制御を行う。（ｃａｓｅ６）

このように、この燃料噴射制御装置２０は、ノッキング発生が検知された場合に、二種類の燃料のうち第一の燃料を主燃料として利用するとともに、第二の燃料をノッキングを抑制する添加剤として利用するよう制御する制御手段２１を備え、二種類の燃料を温度に対するそれぞれの着火遅れ時間が所定の境界温度を境として互い逆転する燃料どうしの組合せとし、火花点火式内燃機関の筒内温度を検知または推定にて求める筒内温度算出手段を設け、制御手段２１は、二種類の燃料の噴射割合を二種類の燃料の着火遅れ時間が逆転する境界温度に対応する所定の温度と筒内温度算出手段３２により求められた筒内温度に基づいて制御するものである。
これにより、この燃料噴射制御装置２０は、幅広い運転領域にわたって、ノッキングを適切に抑制でき、高圧縮比、高過給、高温の残留ガスを利用する形式の内燃機関に適用でき、ノッキングの抑制剤として炭化する第二の燃料の消費量を抑制できる。
さらに、この燃料噴射制御装置２０は、二種類の燃料の組み合わせが異なっても、所定の温度の設定で、多くの組み合わせバリエーションに応用可能である。
この燃料噴射制御装置２０は、制御手段２１によって、二種類の燃料の各噴射量を合計で理論空燃比となるように増減制御することで、燃費の悪化を防ぐことができる。

また、この燃料噴射制御装置２０は、制御手段２１によって、ノック検知手段２２により所定値Ａより大きなノッキング発生が検知された際に、筒内温度算出手段３２により求められた筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより低く、かつ第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが上限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍａｘより少ない場合に、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅを定量ａずつ増加し、筒内温度算出手段３１により求められた筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより高く、かつ第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより多い場合に、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅを定量ａずつ減少する。
これにより、この燃料噴射制御装置２０は、ノッキング抑制制御の判断を大きく左右する所定の温度Ｔｍａｘを用いて判断し、この判断を細かく設定することができるので、制御精度を向上し、ノッキング抑制を果たすことができる。また、この燃料噴射制御装置２０は、噴射量が適正化できるので、燃費の悪化を防ぐことができる。

この燃料噴射制御装置２０は、制御手段２１によって、点火時期を進角遅角制御する点火時期制御手段３３と、スロットル開度を増減制御するスロットル開度制御手段３４のうち１つ以上を有し、ノック検知手段２２により所定値Ａより大きなノッキング発生が検知された際に、筒内温度算出手段３１により求められた筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより高く、かつ第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより少ない場合に、点火時期Ｉｇｔを遅角するように点火時期制御手段３３とスロットル開度θを減少するようにスロットル開度制御手段３４のうち一つ以上を制御するとともに、筒内温度算出手段３２により求められた筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより低く、かつ第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが上限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍａｘより多い場合に、点火時期Ｉｇｔを遅角する点火時期制御手段３３とスロットル開度θを減少するスロットル開度制御手段３４のうち一つ以上を制御する。
これにより、この燃料噴射制御装置２０は、ノッキングが大きい場合に点火時期補正および／またはスロットル開度補正を行うことで、第二の燃料のエタノール噴射量補正に傾倒させず、制御精度を高めて、ノッキング抑制を果たすことができる。

この燃料噴射制御装置２０は、制御手段２１によって、ノック検知手段２２により所定値Ａより小さなノッキング発生が検知された際に、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより多い場合に、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅを定量ａずつ減少し、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより少ない場合に、点火時期Ｔｉｇを進角する点火時期制御手段３３とスロットル開度θを増加するスロットル開度制御手段３４のうち一つ以上を制御する。
これにより、この燃料噴射制御装置２０は、ノッキングが小さい場合に第二の燃料のエタノール補正と、点火時期補正および／またはスロットル開度補正とを行うことで、ノッキング抑制を果たすことができ、燃費の悪化を防ぐことができる。
また、この燃料噴射制御装置２０は、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより多い場合に、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅを減量することは、ノッキングが大きい場合であって、筒内温度Ｔｃｙｌが所定の温度Ｔｍａｘより高く、かつ第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより多い場合の制御と同様であるが、第二の燃料のエタノール噴射量ｔｉ＿ｅが下限判定値ｔｉ＿ｅ＿ｍｉｎより小さい場合の点火時期制御手段３２とスロットル開度制御手段３３の制御傾向を逆として、精度を高めている。

この燃料噴射制御装置２０は、制御手段２１によって、第一の燃料をガソリンとするとともに第二の燃料をエタノールとし、所定の温度Ｔｍａｘを二種類の燃料の組み合わせに基づいて７００Ｋ〜１２００Ｋの範囲で設定し、制御手段２１には筒内圧力や空然比を含むパラメータに基づく所定の温度Ｔｍａｘの補正マップ３５を設けている。
これにより、この燃料噴射制御装置２０は、ノッキング抑制制御の判断を大きく左右する所定の温度Ｔｍａｘを細かく補正して、制御精度を向上でき、制御手段２１の演算負荷を小さくできる。

この燃料噴射制御装置２０の筒内温度算出手段３１は、筒内温度センサ２３を有し、この筒内温度センサ２３によって燃料噴射前の筒内温度Ｔｃｙｌを測定し、既知の筒内容積を元に任意のタイミングの筒内温度を算出する。
これにより、この燃料噴射制御装置２０は、筒内温度Ｔｃｙｌの推定を行うための演算処理について、制御手段２１の演算負荷を小さくして、任意のタイミングの筒内温度Ｔｃｙｌを算出できる。

この燃料噴射制御装置２０の筒内温度算出手段３２は、吸気流量センサ２６と吸気温度センサ２７と排気温度センサ２９を含む複数のセンサを有し、
式１

によって吸気弁１２閉弁時の筒内温度Ｔｃｙｌを算出し、既知の筒内容積を元に任意のタイミングの筒内温度を算出する。
これにより、この燃料噴射制御装置２０は、算出方法に応じて空燃比センサ３０等を加えれば、筒内温度センサ２３を設けることなく、任意のタイミングの筒内温度を算出できる。

なお、燃料噴射制御装置２０は、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅのステップａでの増加に対してガソリンの噴射量ｔｉ＿ｇをステップｂで減少させ、（ｃａｓｅ１）、エタノールの噴射量ｔｉ＿ｅのステップａでの減少に対してガソリンの噴射量ｔｉ＿ｇをステップｂで増加させているが、増加と減少の各ステップは同じ幅にしなくても良い。例えば、増加をａとした場合、減少をａ以外の値としても良い。
また、ノック検知手段２２は、筒内圧力センサ２３やイオンセンサなど、ノックを診断できるものであれば、どのようなものでも構わない。また、ノックの判定方法も、どのような方法でも構わない。
さらに、二種類の燃料は、着火遅れ時間の関係が高温側と低温側で逆転する燃料の組み合わせであれば、どのような燃料であっても良い。組合せ例としては、１：イソオクタンとエタノール、２：ノルマルヘプタンとメチルブタノエート、３：イソオクタンとメチルブタノエート、などがある。

また、上述実施例においては、第一の燃料タンク１６・第一の燃料噴射弁１８からなる第一の燃料系と、第二の燃料タンク１７・第二の燃料噴射弁１９からなる第二の燃料系を独立して配置したが、図６・図７に示すように構成することもできる。
図６に示す変形例１の火花点火式内燃機関１は、第一の燃料（例えば、ガソリン）と第二の燃料（例えば、エタノール）との混合燃料を貯留する単一の燃料タンク３６を備え、燃料タンク３６の混合された第一の燃料・第二の燃料から特定の燃料（例えば、第二の燃料：エタノール）を分離するための分離器（分離膜）３７もしくは触媒を備え、特定の燃料を分離されて残った燃料（例えば、第一の燃料：ガソリン）を吸気ポート８に噴射供給する第一の燃料噴射弁３８を備え、特定の燃料を吸気ポート８に噴射供給する第二の燃料噴射弁３９を備えたものである。
図６に示す変形例１の火花点火式内燃機関１は、さらに、分離器３７と第一の燃料噴射弁３８との間に第一の燃料を貯留する第一の燃料タンクを設け、分離器３７と第二の燃料噴射弁３９との間に第二の燃料を貯留する第二の燃料タンクを設けることもできる。
図７に示す変形例２の火花点火式内燃機関１は、第一の燃料（例えば、ガソリン）を貯留する第一の燃料タンク４０と第二の燃料（例えば、エタノール）を貯留する第二の燃料タンク４１とを備え、第一の燃料タンク４０・第二の燃料タンク４１にそれぞれ貯留される第一の燃料・第二の燃料の混合割合を自由に変化可能な燃料混合器４２を備え、混合された燃料を吸気ポート８に噴射供給する単一の燃料噴射弁４３を備えたものである。
図７に示す変形例２の火花点火式内燃機関１は、さらに、第一の燃料タンク４０・第二の燃料タンク４１の上流側に混合燃料の燃料タンクおよび混合燃料から特定の燃料を分離するための分離器を設け、分離したそれぞれの燃料を第一の燃料タンク４０・第二の燃料タンク４１に供給することもできる。
さらにまた、スロットル開度の制御に代えて吸気弁１２・排気弁１３のリフト量や開弁タイミングを変更制御するようにすることもできる。
また、構成各部の詳細位置の変更や省略が可能であり、スロットルバルブ１４を省略してもよく、第二の燃料噴射弁１９は第一の燃料噴射弁１８に対して下流側でなく上流側や並列に設けてもよい。筒内温度センサ２３、筒内圧力センサ２４をシリンダブロック２ではなくシリンダヘッド３や点火プラグ１５に併設しても良い。

この発明は、二種類の燃料を使用する火花点火式内燃機関において、筒内温度を基準にして各燃料の噴射量を制御してノッキングを適切に抑制するものであり、高圧縮比、高過給、高温の残留ガスを利用する形式の内燃機関に適用することができる。

１ 火花点火式内燃機関
７ 燃焼室
１０ 吸気通路
１１ 排気通路
１６ 第一の燃料タンク
１７ 第二の燃料タンク
１８ 第一の燃料噴射弁
１９ 第二の燃料噴射弁
２０ 燃料噴射制御装置
２１ 制御手段
２２ ノック検知手段
２３ 筒内温度センサ
２４ 筒内圧力センサ
２５ スロットル開度センサ
２６ 吸気流量センサ
２７ 吸気温度センサ
２８ 吸気圧力センサ
２９ 排気温度センサ
３０ 空燃比センサ
３１ クランク角センサ
３２ 筒内温度算出手段
３３ 点火時期制御手段
３４ スロットル開度制御手段
３５ 補正マップ

Claims (8)

1. 二種類の燃料を噴射供給する火花点火式内燃機関と、この火花点火式内燃機関に発生するノッキングを検知するノック検知手段を備え、
   このノック検知手段により所定のノッキング発生が検知された場合に、二種類の燃料のうち第一の燃料を主燃料として利用するとともに、第二の燃料をノッキングを抑制する添加剤として利用するよう制御する制御手段を備えた火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   二種類の燃料を温度に対するそれぞれの着火遅れ時間が所定の境界温度を境として互い逆転する燃料どうしの組合せとし、
   前記火花点火式内燃機関の筒内温度を検知または推定にて求める筒内温度算出手段を設け、
   前記制御手段は、二種類の燃料の噴射割合を二種類の燃料の着火遅れ時間が逆転する境界温度に対応する所定の温度と前記筒内温度算出手段により求められた筒内温度に基づいて制御することを特徴とする火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記制御手段は、二種類の燃料の各噴射量を、合計で理論空燃比となるように増減制御することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記制御手段は、前記ノック検知手段により所定値より大きなノッキング発生が検知された際に、
   前記筒内温度算出手段により求められた筒内温度が所定の温度より低く、かつ第二の燃料の噴射量が上限判定値より少ない場合に、第二の燃料の噴射量を定量ずつ増加し、
   前記筒内温度算出手段により求められた筒内温度が所定の温度より高く、かつ第二の燃料の噴射量が下限判定値より多い場合に、第二の燃料の噴射量を定量ずつ減少することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記制御手段は、点火時期を進角遅角制御する点火時期制御手段と、スロットル開度を増減制御するスロットル開度制御手段のうち１つ以上を有し、
   前記ノック検知手段により所定値より大きなノッキング発生が検知された際に、
   前記筒内温度算出手段により求められた筒内温度が所定の温度より高く、かつ第二の燃料の噴射量が下限判定値より少ない場合に、点火時期を遅角するように前記点火時期制御手段とスロットル開度を減少するように前記スロットル開度制御手段のうち一つ以上を制御するとともに、
   前記筒内温度算出手段により求められた筒内温度が所定の温度より低く、かつ第二の燃料の噴射量が上限判定値より多い場合に、点火時期を遅角する前記点火時期制御手段とスロットル開度を減少する前記スロットル開度制御手段のうち一つ以上を制御することを特徴とする請求項３に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 前記制御手段は、前記ノック検知手段により所定値より小さなノッキング発生が検知された際に、
   第二の燃料の噴射量が下限判定値より多い場合に、第二の燃料の噴射量を定量ずつ減少し、
   第二の燃料の噴射量が下限判定値より少ない場合に、点火時期を進角する前記点火時期制御手段とスロットル開度を増加する前記スロットル開度制御手段のうち一つ以上を制御することを特徴とする請求項４に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 前記第一の燃料をガソリンとするとともに前記第二の燃料をエタノールとし、
   前記所定の温度を、二種類の燃料の組み合わせに基づいて７００Ｋ〜１２００Ｋの範囲で設定し、
   前記制御手段には筒内圧力や空然比を含むパラメータに基づく前記所定の温度の補正マップを設けることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
7. 前記筒内温度算出手段は、筒内温度センサを有し、
   この筒内温度センサによって燃料噴射前の筒内温度を測定し、既知の筒内容積を元に任意のタイミングの筒内温度を算出することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
8. 前記筒内温度算出手段は、吸気流量センサと吸気温度センサと排気温度センサを含む複数のセンサを有し、
   式１
   

   

   によって吸気弁閉弁時の筒内温度を算出し、既知の筒内容積を元に任意のタイミングの筒内温度を算出することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。

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