JP4214774B2 - 内燃機関および内燃機関の燃焼方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、オクタン価の異なる複数種類の燃料を燃焼室に供給して機関燃焼を行う内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にガソリン内燃機関では、燃焼室内に供給される燃料及び空気の混合気に点火プラグを用いて点火し、燃焼させることによってエンジン出力を発生させる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１７９３６８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば円筒形燃焼室の天井の中央部に点火プラグを設け、混合気の点火を行う場合、点火プラグを起点とし、燃焼室の周縁部に向かって火炎が伝播する。このとき、燃焼室の周縁部に存在する未燃の混合気（末端ガス）が点火プラグから拡がる火炎（圧力波）によって圧縮され、点火プラグを起点として伝播する火炎が燃焼室の周縁部に到達する前に自己点火する。この末端ガスの自己点火はノッキングと呼ばれ、異音の発生や、エンジンの耐久性低下等といった問題を生じさせる。
【０００５】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ノッキングを効果的に防止することのできる内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、（１）内燃機関の燃焼室内に高オクタン価燃料を供給する第１の燃料供給手段と、前記燃焼室内の複数方向に低オクタン価燃料を直接噴射供給し、同燃焼室内に低オクタン価燃料の濃度が局所的に高い部分を複数箇所存在させる第２の燃料供給手段と、前記第１の燃料供給手段を通じて前記燃焼室内に高オクタン価燃料の雰囲気を形成した後、前記第２の燃料供給手段を通じて前記燃焼室内に低オクタン価燃料の濃度が局所的に高い部分を複数箇所存在させる制御手段と、を備えることを要旨とする。
【０００７】
同構成によれば、燃焼室内において、高オクタン価燃料による高温の雰囲気を形成し、その雰囲気中に低オクタン価燃料の噴霧の塊を点在させて自然発火を促すことで、機関燃焼を行うことになる。すなわち、爆発行程（膨張行程）において、燃焼室内の複数個所を起点として火炎が拡がるため、実質的な燃焼速度が上がり、ノッキングが発生する前に燃焼を完了することができる。
（２）前記制御手段は、前記第２の燃料供給手段を通じた前記燃焼室内への低オクタン価燃料の供給を、当該機関の吸気行程および圧縮行程に行うようにしてもよい。
【０００８】
同構成によれば、例えばエンジン負荷が低く、燃料の着火遅れが生じやすい条件下で、圧縮行程の後期に噴射供給される低オクタン価燃料の着火遅れを効果的に防止することができる。
（３）前記制御手段は、前記第２の燃料供給手段を通じた前記燃焼室内への低オクタン価燃料の供給を、前記圧縮行程において少なくとも２回行うようにしてもよい。
【０００９】
同構成によれば、低オクタン価燃料の噴射供給を複数回連続して行うことで、第２の燃料供給手段の構造の複雑化や設置数の増大を伴うことなく、燃焼室内に形成される低オクタン価燃料の噴霧の塊の数を調整することができる。
（４）また、前記制御手段は、前記第２の燃料供給手段を通じた前記燃焼室内への低オクタン価燃料の供給を、前記圧縮行程及び膨張行程に行うようにしてもよい。
【００１０】
同構成によれば、第２の燃料供給手段を通じて形成された燃料噴霧の塊を起点として、燃料の爆発に伴い火炎（圧力波）が燃焼室の周縁部に向かって伝播する過程で、燃焼室の周縁部近傍に存在する未燃の高オクタン価燃料に向かって低オクタン価燃料の噴霧が供給されることになる。これにより、燃焼室の周縁部近傍に存在する未燃の高オクタン価燃料の燃焼が始まるタイミングが早まり、ノッキングの発生が効果的に防止される。
（５）また、他の発明は、内燃機関の燃焼方法であって、燃焼室内に形成される高オクタン価燃料の雰囲気中に、低オクタン価燃料の濃度が局所的に高い部分を複数箇所存在させ、圧縮行程においてその低オクタン価燃料を自己点火させることによって燃焼を行うことを要旨とする。
【００１１】
同構成によれば、燃焼室内において、高オクタン価燃料による高温の雰囲気を形成し、その雰囲気中に低オクタン価燃料の噴霧の塊を点在させて自然発火を促すことで、機関燃焼を行うことになる。すなわち、爆発行程（膨張行程）において、燃焼室内の複数個所を起点として火炎が拡がるため、実質的な燃焼速度が上がり、ノッキングが発生する前に燃焼を完了することができる。
【００１２】
なお、上記の各構成を適宜組み合わせて機関燃焼を行うこともできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を車載エンジンに適用した第１の実施の形態について説明する。〔エンジンの基本構造及び機能〕
図１に示すように、内燃機関（以下、エンジンという）１は、複数のシリンダ（一本のシリンダのみ図示）を備え、吸入行程、圧縮行程、爆発行程（膨張行程）及び排気行程の４サイクルを繰り返して出力を得る。
【００１４】
エンジン本体１０は、シリンダブロック１０ａとシリンダヘッド１０ｂとが閉じ合わされて構成され、その内部にシリンダ１１を形成する。シリンダ１１内には、ピストン１２が往復動可能に収容される。ピストン１２の頭頂面１２ａと、シリンダ１１の内壁と、シリンダヘッド１０ｂとに囲まれた空間は、燃焼室１３を形成する。ピストン１２に連結されたコンロッド１４は、シリンダ１１内におけるピストン１２の往復運動をエンジン１のクランクシャフト（図示略）の回転運動に変換する。
【００１５】
また、シリンダヘッド１０ｂには、燃焼室１３に連通し吸気通路（図示略）の最下流部位をなす吸気ポート４１と、同じく燃焼室１３に連通し排気通路（図示略）の最上流部位をなす排気ポート５１とが形成されている他、吸気ポート４１と燃焼室１３との境界を開放・閉塞する吸気弁１９や、排気ポート５１と燃焼室１３との境界を開放・閉塞する排気弁２０が設けられている。
【００１６】
軸部材１９ａの先端に弁体１９ｂを備えて構成される吸気弁１９は、軸部材１９ａの後端を、クランクシャフト１５の回転に連動して回転する吸気カム（図示略）に当接させている。吸気弁１９は、吸気カムによって駆動され、クランクシャフト１５の回転と正確に同期した往復運動（開閉弁動作）を繰り返す。また、軸部材２０ａの先端に弁体２０ｂを備えて構成される排気弁２０は、軸部材２０ａの後端を、クランクシャフトの回転に連動して回転する排気カム（図示略）に当接させている。排気弁２０は、排気カムによって駆動され、クランクシャフト１５の回転と正確に同期した往復運動（開閉弁動作）を繰り返す。
【００１７】
吸気ポート４１には、吸気弁１９の弁体１９ｂ（燃焼室１３）に先端部６１を向けた第１燃料噴射弁６０が設けられている。燃料噴射弁６０は、高圧ポンプ（図示略）等によって加圧され、蓄圧室（図示略）に蓄えられた高オクタン価燃料（例えばガソリン）を、燃焼室１３内に適宜の量、適宜のタイミングで噴射供給する電磁駆動式開閉弁である。
【００１８】
また、シリンダヘッド１０ｂには、燃焼室１３天井のほぼ中央部分に先端部７１の噴射口を晒す第２燃料噴射弁７０が設けられている。第２燃料噴射弁７０は、高圧ポンプ（図示略）等によって加圧され、蓄圧室（図示略）に蓄えられた低オクタン価燃料（例えば軽油）を、燃焼室１３内に適宜の量、適宜のタイミングで噴射供給する電磁駆動式開閉弁である。
【００１９】
ＥＣＵ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ、タイマーカウンタ、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路および外部出力回路等を備える。これらＥＣＵ８０の各部は、双方向性バスによって相互に接続され、全体として論理演算回路を構成する。
【００２０】
このように構成されたＥＣＵ８０は、各種センサに基づいて、第１燃料噴射弁６０や第２燃料噴射弁７０をはじめとするエンジン１の各構成要素を統括制御することにより、エンジン１の運転状態を最適化する。
〔第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁の機能〕
図２は、第１燃料噴射弁６０の先端部６１の外観を示す側面図（図２（ａ））と正面図（図２（ｂ））である。両図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、第１燃料噴射弁６０は、その先端部６１の頂面６２に単一の噴射口６２ａを有する。噴射口６２ａを通じて噴射される高オクタン価燃料の噴霧は、吸気ポート４１（図１参照）内において直進しながら拡散する性質を有する。
【００２１】
一方、図３は、第２燃料噴射弁７０の先端部７１の外観を示す側面図（図３（ａ））と正面図（図３（ｂ））である。両図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、第２燃料噴射弁７０は、その先端部７１の頂面７２に５つの噴射口７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ及び７２ｅを有する。各噴射口７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、７２ｅから噴射される低オクタン価燃料の噴霧は、燃焼室１３（図１参照）内において、放射状に直進し、複数（本実施の形態では５つ）の噴霧の塊として点在することになる。
〔燃料噴射制御の概要〕
上述したように、吸気ポート４１内に高オクタン価燃料を噴射することのできる第１燃料噴射弁６０と、低オクタン価燃料を噴射して燃焼室１３内に複数の燃料噴霧の塊を点在させることのできる第２燃料噴射弁７０とを備えたエンジン１は、以下に説明する制御構造を採用して燃料噴射を実行し、機関燃焼を行う。
【００２２】
図４は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００２３】
同図４に示すように、第１の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料を噴射供給する。また、圧縮行程においてピストン１２が上死点（最上点）ＴＤＣに到達する時点、或いはその時点よりも少し前に（クランク角にしてＢＤＣ６０°以降が好ましい。）、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に低オクタン価燃料を噴射供給する。
【００２４】
図５には、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の動態と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の動態とを模式的に示す。
【００２５】
先ず、図５（ａ）に示すように、吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。すると、高オクタン価燃料の噴霧が燃焼室１３内で拡散し、略均一に分布するようになる（図５（ｂ））。
【００２６】
続く圧縮行程において、吸気弁１９が閉じ、ピストン１２が上昇することによって、燃焼室１３内の圧力が上昇する。ここで、第２燃料噴射弁７０を通じ低オクタン価燃料が燃焼室１３内に複数方向に噴射供給される（図５（ｃ））。すると、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料が略均一に拡散した雰囲気中に、低オクタン価燃料の噴霧の小さな塊が点在するようになる（図５（ｄ））。
【００２７】
そして、燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気中で、これら低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、混合気全体が爆発的に燃焼し、エンジン出力を発生するに至る。
【００２８】
ここで、例えば燃焼室の天井の中央部に備えられた点火プラグ用い、燃焼室内に供給されるガソリン及び空気の混合気に点火する従来の機関燃焼方法では、点火プラグを起点として火炎が伝播し、燃焼室の周縁部に到達することで燃焼が完了する。このため、燃焼室の周縁部に存在する未燃の混合気（末端ガス）が点火プラグから拡がる火炎（圧力波）によって圧縮され、点火プラグを起点として伝播する火炎が燃焼室の周縁部に到達する前に自己点火し、いわゆるノッキングを発生させていた。
【００２９】
この点、本実施の形態におけるエンジン１は、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料による高温の雰囲気を形成し、その雰囲気中に低オクタン価燃料の噴霧の塊を点在させて自然発火を促す。すなわち、爆発行程（膨張行程）において、燃焼室１３内の複数個所を起点として火炎が拡がるため、実質的な燃焼速度が上がり、ノッキングが発生する前に燃焼を完了することができる。
【００３０】
なお、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に噴射供給される低オクタン価燃料の量は、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に噴射供給される高オクタン価燃料の量の２０％（体積比率）以下とするのが好ましい。
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第２の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第２の実施の形態のエンジンは、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００３２】
図６は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００３３】
同図６に示すように、第２の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ高オクタン価燃料を噴射供給する点で、第１の実施の形態と共通する。しかし、第２燃料噴射弁７０を通じた低オクタン価燃料の噴射供給を２回行う点で第１の実施の形態と異なる。
【００３４】
以下、このような燃料噴射の形態を採用した場合、エンジン１の吸気行程及び排気行程において、吸気ポート４１や燃焼室１３内でみられる高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の動態について時系列的に説明する。
【００３５】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。
【００３６】
（２）次に、吸気行程の終了直前、或いは圧縮行程の初期段階において、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に低オクタン価燃料が噴射供給される。これにより、燃焼室１３内では、高オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気中に、低オクタン価燃料の濃度の高い部分が局所的に存在することになる。
【００３７】
（３）圧縮行程の後期には、燃焼室１３内の低オクタン価燃料の濃度の高い部分に、再度、低オクタン価燃料が噴射供給される。
【００３８】
（４）燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気のうち、とくに局所的にオクタン価が低くなっている部分（高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが混在する部分）に供給された低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、混合気全体が爆発的に燃焼して、エンジン出力を発生するに至る。
【００３９】
本実施の形態によれば、低オクタン価燃料の１回目の噴射供給により、局所的にオクタン価の低い部分を点在させる。そして、低オクタン価燃料の２回目の噴射供給では、低オクタン価燃料の濃度の高い部分に再度低オクタン価燃料の噴霧を供給し自然発火を促す。このため、圧縮行程の後期において噴射供給される低オクタン価燃料（点在する噴霧の塊）の点火性が高まる。このような噴射形態を採用することにより、とくにエンジン負荷が低く燃料の着火遅れが生じやすい条件下で、圧縮行程の後期に噴射供給される低オクタン価燃料の着火遅れを効果的に防止することができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第３の実施の形態について、上記各実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第３の実施の形態のエンジンもまた、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００４１】
図７は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００４２】
同図７に示すように、第３の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ高オクタン価燃料を噴射供給する点では、第１の実施の形態と共通する。しかし、第２燃料噴射弁７０を通じた低オクタン価燃料の噴射供給を圧縮行程において２回行う点で第１の実施の形態と異なる。
【００４３】
以下、このような燃料噴射の形態を採用した場合、エンジン１の吸気行程及び排気行程において、吸気ポート４１や燃焼室１３内でみられる高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の動態について時系列的に説明する。
【００４４】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。
【００４５】
これにより、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気が形成される。
【００４６】
（２）この後、圧縮行程に、第２燃料噴射弁７０を通じ、低オクタン価燃料が連続的に２回噴射供給される。
【００４７】
ここで、第２燃料噴射弁７０を通じた１回の噴射供給により、低オクタン価燃料の噴霧の塊が例えば５個形成されると仮定すれば、連続して２回の噴射供給を行うことにより、低オクタン価燃料の噴霧の塊が計１０個形成されることになる。
【００４８】
（３）燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気中において、計１０個存在する低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、混合気全体が爆発的に燃焼し、エンジン出力を発生するに至る。
【００４９】
このように、本実施の形態によれば、低オクタン価燃料の噴射供給を連続して２回行うことで、第２燃料噴射弁７０の構造の複雑化や設置数の増大を伴うことなく、燃焼室１３内に形成される低オクタン価燃料の噴霧の塊の数を倍増させる（調整する）ことができる。
【００５０】
（第４の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第４の実施の形態について、上記各実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第４の実施の形態のエンジンもまた、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００５１】
図８は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００５２】
同図８に示すように、第４の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ高オクタン価燃料を噴射供給する点では、第１の実施の形態と共通する。しかし、第２燃料噴射弁７０を通じた低オクタン価燃料の噴射供給を圧縮行程と爆発行程（膨張行程）に各１回ずつ行う点で第１の実施の形態と異なる。
【００５３】
以下、このような燃料噴射の形態を採用した場合、エンジン１の吸気行程及び排気行程において、吸気ポート４１や燃焼室１３内でみられる高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の動態について時系列的に説明する。
【００５４】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。
【００５５】
これにより、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気が形成される。
【００５６】
（２）この後圧縮行程において、第２燃料噴射弁７０を通じ、低オクタン価燃料の１回目の噴射供給がなされる。なお、この低オクタン価燃料の１回目の噴射供給は、第２燃料噴射弁７０の先端部７１に設けられた５つの噴射口のうち、中央の噴射口７２ａのみを通じて行われるように設定しておく。
【００５７】
（３）燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気に噴射供給された低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、低オクタン価燃料の噴霧の塊を起点とした燃料の爆発が始まる。そして、燃料の爆発に伴い火炎（圧力波）が燃焼室１３の周縁部に向かって伝播する。
【００５８】
（４）次に、爆発行程（膨張行程）が終了する前に、第２燃料噴射弁７０の先端部７１に設けられた５つの噴射口のうち、噴射口７２ａの周囲に設けられた噴射口７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ及び７２ｅを通じて低オクタン価燃料を再度噴射供給する。
【００５９】
これにより、噴射口７２ａを通じて噴射された燃料噴霧の塊を起点として、燃料の爆発に伴い火炎（圧力波）が燃焼室１３の周縁部に向かって伝播する過程で、燃焼室１３の周縁部近傍に存在する未燃の高オクタン価燃料に向かって低オクタン価燃料の噴霧が供給されることになる。これにより、燃焼室１３の周縁部近傍に存在する未燃の高オクタン価燃料の燃焼が始まるタイミングが早まり、ノッキングの発生が効果的に防止される。
【００６０】
（第５の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第５の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第５の実施の形態のエンジンは、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００６１】
図９は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００６２】
同図９に示すように、第５の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ高オクタン価燃料を噴射供給する点で第１の実施の形態と共通する。しかし、第２燃料噴射弁７０を通じた低オクタン価燃料の噴射供給を２回行う点で第１の実施の形態と異なる。
【００６３】
以下、このような燃料噴射の形態を採用した場合、エンジン１の吸気行程及び排気行程において、吸気ポート４１や燃焼室１３内でみられる高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の動態について時系列的に説明する。
【００６４】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。また、同じ吸気行程において、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に低オクタン価燃料が噴射供給される。
【００６５】
これにより、高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の混合気（両者の中間のオクタン価の燃料蒸気）が燃焼室１３内に形成される。
【００６６】
（２）吸気行程の終了直前、或いは圧縮行程の初期段階において、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に低オクタン価燃料が噴射供給される。
【００６７】
これにより、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気中に、低オクタン価燃料の噴霧の小さな塊が点在するようになる。
【００６８】
（３）この後、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料及び低オクタン価が略均一に混合・拡散した混合気中に、再度、低オクタン価燃料が噴射供給され、その噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、混合気全体が爆発的に燃焼して、エンジン出力を発生するに至る。
【００６９】
このように、本実施の形態では、吸気行程から圧縮行程の初期にかけ、高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の各々を予め燃焼室１３内に供給し、実質的に両者の中間のオクタン価を有する燃料の蒸気を燃焼室１３内に満たす。これにより、圧縮行程の後期において噴射供給される低オクタン価燃料（点在する噴霧の塊）の点火性が高まり、燃焼速度が全体として高くなる。この結果、燃料（点在する噴霧の塊）の着火遅れが効果的に防止されるようになる。
【００７０】
なお、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて燃焼室１３内に満たされる燃料のオクタン価が低くなると、点火性が高まる反面、点火タイミングの制御が困難になる。このため、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて燃焼室１３内に満たされる燃料のオクタン価（吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する高オクタン価燃料の量と低オクタン価燃料の量との比率）としては、点火性と点火タイミングの制御性とを両立して最適化できる数値を設定するのが好ましい。
【００７１】
また、このように点火性と点火タイミングの制御性とを両立して最適化できる数値は、例えばエンジン負荷等の運転条件によって異なる。そこで、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する高オクタン価燃料の量と、低オクタン価燃料の量の比率を、エンジン負荷等に応じて可変制御するようにしてもよい。例えば、エンジン負荷が低くなるほど燃料の点火性は低くなり、着火遅れが生じやすくなるため、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する低オクタン価燃料の量を多くすればよい。
【００７２】
また、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する低オクタン価燃料の噴射タイミング（以下、低オクタン価燃料の１回目噴射タイミングという）が遅くなると、燃焼室１３内における高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の混合が遅れる。すると、低オクタン価燃料が再度噴射される際、燃焼室１３内に高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが不均一に分布することになる。そして、両者の混合状態が不均一であるほど、後に噴射供給される低オクタン価燃料（噴霧の塊）の点火性は低下し、燃料の燃焼速度は全体として低くなる。すなわち、低オクタン価燃料の１回目噴射タイミングを可変とし、燃料の点火性や燃焼速度を制御してもよい。
【００７３】
（第６の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第５の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第５の実施の形態のエンジンは、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００７４】
第６の実施の形態では、第１燃料噴射弁６０及び第２燃料噴射弁７０を通じて行う燃料噴射の形態をエンジン１の運転領域に応じて変更する。
【００７５】
すなわち、図１０に示すように、エンジン１は、理論空燃比での運転が可能な全運転領域を領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃの３つに区画し、各領域毎に異なる燃料噴射の形態を採用する。
【００７６】
そして例えば、エンジン負荷が最も高い領域Ａでは、上記第１の実施の形態で説明した燃料噴射の形態（図４参照）を採用し、燃料の点火性の向上を優先的に図るようにする。また、エンジン負荷が最も低い領域Ｃでは、上記第５の実施の形態で説明した燃料噴射の形態（図９）を採用し、エンジン負荷が高くなるほど吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する低オクタン価燃料の量を少なくすればよい。また、領域Ａ及び領域Ｃの中間にあたる領域Ｂでは、基本的には領域Ｃと同じく上記第５の実施の形態で説明した燃料噴射の形態（図９）を採用しつつ、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する低オクタン価燃料の噴射タイミング（以下、低オクタン価燃料の１回目噴射タイミングという）が遅くなるように制御すればよい。
【００７７】
このような制御構造を適用することにより、エンジンの運転条件に応じて、燃料の点火性と点火タイミング（着火遅れ）の制御性とを併せて最適化することができる。これにより、２種の燃料噴射弁６０，７０を通じた各種燃料噴射の形態によるノッキングの抑制効果を、一層効果的に活用することができる。
【００７８】
実際、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて、燃料噴射の形態を領域Ａ，Ｂ，Ｃの３種に区画することで、ノッキングを発生させることなく理論空燃比で運転することの可能な領域を、実線で囲まれた領域から破線で囲まれた領域まで拡張できるようになることが、発明者らによって確認されている（図１０参照）。
【００７９】
（第７の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第７の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第７の実施の形態のエンジンの構成要素であって、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構造及び機能を備えるものについては、第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００８０】
図１１に示すように、第７の実施の形態のエンジン１Ａは、吸気ポート４１内に高オクタン価燃料を噴射供給できる第１燃料噴射弁６０と、燃焼室１３内に燃料を噴射供給できる第２燃料噴射弁７０とを備える点では、エンジン１と共通する。その一方、燃焼室１３内に点火プラグ９０を備える点でエンジン１と異なる。点火プラグ９０は、ＥＣＵ８０の指令信号に基づき電気火花を発生させ、燃焼室１３内に供給される燃料及び空気の混合気に点火する機能を有する。
【００８１】
このようなハードウエア構成を備えたエンジン１は、機関運転に際して以下のような燃料噴射の形態を採用する。
【００８２】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。
【００８３】
これにより、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気が形成される。
【００８４】
（２）この後圧縮行程において、第２燃料噴射弁７０を通じ、低オクタン価燃料の１回目の噴射供給がなされる。
【００８５】
（３）燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気に噴射供給された低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、低オクタン価燃料の噴霧の塊を起点とした燃料の爆発が始まる。そして、燃料の爆発に伴い火炎（圧力波）が燃焼室１３の周縁部に向かって伝播する。
【００８６】
（４）次に、爆発行程（膨張行程）が終了する前に、点火プラグ９０に電気火花を発生させる。
【００８７】
すなわち、本実施の形態では、爆発行程（膨張行程）において、噴射口７２ａを通じて噴射された燃料噴霧の塊を起点とし、火炎（圧力波）が燃焼室１３内を伝播する過程において、未燃の高オクタン価燃料を点火プラグ９０によって点火することで、末端ガス（未燃の高オクタン価燃料）の燃焼が始まるタイミングを早める。この結果、ノッキングの発生が効果的に防止される。
【００８８】
なお、本実施の形態と逆の手順を採用することもできる。すなわち、点火プラグ９０による混合気の点火を最初に行い、火炎（圧力波）が燃焼室１３内を伝播する過程において、末端ガス（未燃の高オクタン価燃料）中に低オクタン価燃料の燃料噴霧の塊を形成することにより、末端ガスの燃焼を早めるようにしてもよい。
【００８９】
（ハードウエア構成の変形例）
図１２及び図１３には、上記各実施の形態にかかる制御構造を適用することのできるハードウエア構成の変形例を示す。すなわち、図１２に示すエンジン１Ｂや図１３に示すエンジン１Ｃの如く、ピストン１２の頭頂面１２ａに、リセスを設け、第２燃料噴射弁７０から噴射される燃料の噴霧が、爆発の起点（核）として最適な形態の塊を形成するようにしてもよい。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、実質的な燃焼速度を最適化することにより、ノッキングが発生する前に燃焼を完了することができる。その結果、ノッキングの発生を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態におけるエンジンを概略的に示す構成図。
【図２】 同実施の形態における第１燃料噴射弁の先端部の外観を示す側面図等。
【図３】 同実施の形態における第２燃料噴射弁の先端部の外観を示す側面図等。
【図４】 同実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図５】 同実施の形態における第１燃料噴射弁を通じて供給される高オクタン価燃料の動態と、第２燃料噴射弁を通じて供給される低オクタン価燃料の動態とを示す模式図。
【図６】 本発明の第２の実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図７】 本発明の第３の実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図８】 本発明の第４の実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図９】 本発明の第５の実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図１０】 本発明の第６の実施の形態において、燃料噴射の形態を決定するために、エンジン負荷及びエンジン回転数によって区画された３つの運転領域を示すマップ。
【図１１】 本発明の第７の実施の形態におけるエンジンを概略的に示す構成図。
【図１２】 本発明の第８の実施の形態におけるエンジンを概略的に示す構成図。
【図１３】 同実施の形態における他のエンジンを概略的に示す構成図。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
１０ エンジン本体
１０ａ シリンダブロック
１０ｂ シリンダヘッド
１１ シリンダ
１２ ピストン
１２ａ 頭頂面
１３ 燃焼室
１４ コンロッド
１５ クランクシャフト
１９ 吸気弁
１９ａ 軸部材
１９ｂ 弁体
２０ 排気弁
２０ａ 軸部材
２０ｂ 弁体
３１ 燃焼室
４１ 吸気ポート
５１ 排気ポート
６０ 第１燃料噴射弁
７０ 第２燃料噴射弁
６１ 先端部
６２ 頂面
６２ａ 噴射口
７１ 先端部
７２ 頂面
７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、７２ｅ 噴射口
９０ 点火プラグ
【発明の属する技術分野】
この発明は、オクタン価の異なる複数種類の燃料を燃焼室に供給して機関燃焼を行う内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にガソリン内燃機関では、燃焼室内に供給される燃料及び空気の混合気に点火プラグを用いて点火し、燃焼させることによってエンジン出力を発生させる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１７９３６８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば円筒形燃焼室の天井の中央部に点火プラグを設け、混合気の点火を行う場合、点火プラグを起点とし、燃焼室の周縁部に向かって火炎が伝播する。このとき、燃焼室の周縁部に存在する未燃の混合気（末端ガス）が点火プラグから拡がる火炎（圧力波）によって圧縮され、点火プラグを起点として伝播する火炎が燃焼室の周縁部に到達する前に自己点火する。この末端ガスの自己点火はノッキングと呼ばれ、異音の発生や、エンジンの耐久性低下等といった問題を生じさせる。
【０００５】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ノッキングを効果的に防止することのできる内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、（１）内燃機関の燃焼室内に高オクタン価燃料を供給する第１の燃料供給手段と、前記燃焼室内の複数方向に低オクタン価燃料を直接噴射供給し、同燃焼室内に低オクタン価燃料の濃度が局所的に高い部分を複数箇所存在させる第２の燃料供給手段と、前記第１の燃料供給手段を通じて前記燃焼室内に高オクタン価燃料の雰囲気を形成した後、前記第２の燃料供給手段を通じて前記燃焼室内に低オクタン価燃料の濃度が局所的に高い部分を複数箇所存在させる制御手段と、を備えることを要旨とする。
【０００７】
同構成によれば、燃焼室内において、高オクタン価燃料による高温の雰囲気を形成し、その雰囲気中に低オクタン価燃料の噴霧の塊を点在させて自然発火を促すことで、機関燃焼を行うことになる。すなわち、爆発行程（膨張行程）において、燃焼室内の複数個所を起点として火炎が拡がるため、実質的な燃焼速度が上がり、ノッキングが発生する前に燃焼を完了することができる。
（２）前記制御手段は、前記第２の燃料供給手段を通じた前記燃焼室内への低オクタン価燃料の供給を、当該機関の吸気行程および圧縮行程に行うようにしてもよい。
【０００８】
同構成によれば、例えばエンジン負荷が低く、燃料の着火遅れが生じやすい条件下で、圧縮行程の後期に噴射供給される低オクタン価燃料の着火遅れを効果的に防止することができる。
（３）前記制御手段は、前記第２の燃料供給手段を通じた前記燃焼室内への低オクタン価燃料の供給を、前記圧縮行程において少なくとも２回行うようにしてもよい。
【０００９】
同構成によれば、低オクタン価燃料の噴射供給を複数回連続して行うことで、第２の燃料供給手段の構造の複雑化や設置数の増大を伴うことなく、燃焼室内に形成される低オクタン価燃料の噴霧の塊の数を調整することができる。
（４）また、前記制御手段は、前記第２の燃料供給手段を通じた前記燃焼室内への低オクタン価燃料の供給を、前記圧縮行程及び膨張行程に行うようにしてもよい。
【００１０】
同構成によれば、第２の燃料供給手段を通じて形成された燃料噴霧の塊を起点として、燃料の爆発に伴い火炎（圧力波）が燃焼室の周縁部に向かって伝播する過程で、燃焼室の周縁部近傍に存在する未燃の高オクタン価燃料に向かって低オクタン価燃料の噴霧が供給されることになる。これにより、燃焼室の周縁部近傍に存在する未燃の高オクタン価燃料の燃焼が始まるタイミングが早まり、ノッキングの発生が効果的に防止される。
（５）また、他の発明は、内燃機関の燃焼方法であって、燃焼室内に形成される高オクタン価燃料の雰囲気中に、低オクタン価燃料の濃度が局所的に高い部分を複数箇所存在させ、圧縮行程においてその低オクタン価燃料を自己点火させることによって燃焼を行うことを要旨とする。
【００１１】
同構成によれば、燃焼室内において、高オクタン価燃料による高温の雰囲気を形成し、その雰囲気中に低オクタン価燃料の噴霧の塊を点在させて自然発火を促すことで、機関燃焼を行うことになる。すなわち、爆発行程（膨張行程）において、燃焼室内の複数個所を起点として火炎が拡がるため、実質的な燃焼速度が上がり、ノッキングが発生する前に燃焼を完了することができる。
【００１２】
なお、上記の各構成を適宜組み合わせて機関燃焼を行うこともできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を車載エンジンに適用した第１の実施の形態について説明する。〔エンジンの基本構造及び機能〕
図１に示すように、内燃機関（以下、エンジンという）１は、複数のシリンダ（一本のシリンダのみ図示）を備え、吸入行程、圧縮行程、爆発行程（膨張行程）及び排気行程の４サイクルを繰り返して出力を得る。
【００１４】
エンジン本体１０は、シリンダブロック１０ａとシリンダヘッド１０ｂとが閉じ合わされて構成され、その内部にシリンダ１１を形成する。シリンダ１１内には、ピストン１２が往復動可能に収容される。ピストン１２の頭頂面１２ａと、シリンダ１１の内壁と、シリンダヘッド１０ｂとに囲まれた空間は、燃焼室１３を形成する。ピストン１２に連結されたコンロッド１４は、シリンダ１１内におけるピストン１２の往復運動をエンジン１のクランクシャフト（図示略）の回転運動に変換する。
【００１５】
また、シリンダヘッド１０ｂには、燃焼室１３に連通し吸気通路（図示略）の最下流部位をなす吸気ポート４１と、同じく燃焼室１３に連通し排気通路（図示略）の最上流部位をなす排気ポート５１とが形成されている他、吸気ポート４１と燃焼室１３との境界を開放・閉塞する吸気弁１９や、排気ポート５１と燃焼室１３との境界を開放・閉塞する排気弁２０が設けられている。
【００１６】
軸部材１９ａの先端に弁体１９ｂを備えて構成される吸気弁１９は、軸部材１９ａの後端を、クランクシャフト１５の回転に連動して回転する吸気カム（図示略）に当接させている。吸気弁１９は、吸気カムによって駆動され、クランクシャフト１５の回転と正確に同期した往復運動（開閉弁動作）を繰り返す。また、軸部材２０ａの先端に弁体２０ｂを備えて構成される排気弁２０は、軸部材２０ａの後端を、クランクシャフトの回転に連動して回転する排気カム（図示略）に当接させている。排気弁２０は、排気カムによって駆動され、クランクシャフト１５の回転と正確に同期した往復運動（開閉弁動作）を繰り返す。
【００１７】
吸気ポート４１には、吸気弁１９の弁体１９ｂ（燃焼室１３）に先端部６１を向けた第１燃料噴射弁６０が設けられている。燃料噴射弁６０は、高圧ポンプ（図示略）等によって加圧され、蓄圧室（図示略）に蓄えられた高オクタン価燃料（例えばガソリン）を、燃焼室１３内に適宜の量、適宜のタイミングで噴射供給する電磁駆動式開閉弁である。
【００１８】
また、シリンダヘッド１０ｂには、燃焼室１３天井のほぼ中央部分に先端部７１の噴射口を晒す第２燃料噴射弁７０が設けられている。第２燃料噴射弁７０は、高圧ポンプ（図示略）等によって加圧され、蓄圧室（図示略）に蓄えられた低オクタン価燃料（例えば軽油）を、燃焼室１３内に適宜の量、適宜のタイミングで噴射供給する電磁駆動式開閉弁である。
【００１９】
ＥＣＵ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ、タイマーカウンタ、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路および外部出力回路等を備える。これらＥＣＵ８０の各部は、双方向性バスによって相互に接続され、全体として論理演算回路を構成する。
【００２０】
このように構成されたＥＣＵ８０は、各種センサに基づいて、第１燃料噴射弁６０や第２燃料噴射弁７０をはじめとするエンジン１の各構成要素を統括制御することにより、エンジン１の運転状態を最適化する。
〔第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁の機能〕
図２は、第１燃料噴射弁６０の先端部６１の外観を示す側面図（図２（ａ））と正面図（図２（ｂ））である。両図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、第１燃料噴射弁６０は、その先端部６１の頂面６２に単一の噴射口６２ａを有する。噴射口６２ａを通じて噴射される高オクタン価燃料の噴霧は、吸気ポート４１（図１参照）内において直進しながら拡散する性質を有する。
【００２１】
一方、図３は、第２燃料噴射弁７０の先端部７１の外観を示す側面図（図３（ａ））と正面図（図３（ｂ））である。両図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、第２燃料噴射弁７０は、その先端部７１の頂面７２に５つの噴射口７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ及び７２ｅを有する。各噴射口７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、７２ｅから噴射される低オクタン価燃料の噴霧は、燃焼室１３（図１参照）内において、放射状に直進し、複数（本実施の形態では５つ）の噴霧の塊として点在することになる。
〔燃料噴射制御の概要〕
上述したように、吸気ポート４１内に高オクタン価燃料を噴射することのできる第１燃料噴射弁６０と、低オクタン価燃料を噴射して燃焼室１３内に複数の燃料噴霧の塊を点在させることのできる第２燃料噴射弁７０とを備えたエンジン１は、以下に説明する制御構造を採用して燃料噴射を実行し、機関燃焼を行う。
【００２２】
図４は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００２３】
同図４に示すように、第１の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料を噴射供給する。また、圧縮行程においてピストン１２が上死点（最上点）ＴＤＣに到達する時点、或いはその時点よりも少し前に（クランク角にしてＢＤＣ６０°以降が好ましい。）、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に低オクタン価燃料を噴射供給する。
【００２４】
図５には、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の動態と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の動態とを模式的に示す。
【００２５】
先ず、図５（ａ）に示すように、吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。すると、高オクタン価燃料の噴霧が燃焼室１３内で拡散し、略均一に分布するようになる（図５（ｂ））。
【００２６】
続く圧縮行程において、吸気弁１９が閉じ、ピストン１２が上昇することによって、燃焼室１３内の圧力が上昇する。ここで、第２燃料噴射弁７０を通じ低オクタン価燃料が燃焼室１３内に複数方向に噴射供給される（図５（ｃ））。すると、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料が略均一に拡散した雰囲気中に、低オクタン価燃料の噴霧の小さな塊が点在するようになる（図５（ｄ））。
【００２７】
そして、燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気中で、これら低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、混合気全体が爆発的に燃焼し、エンジン出力を発生するに至る。
【００２８】
ここで、例えば燃焼室の天井の中央部に備えられた点火プラグ用い、燃焼室内に供給されるガソリン及び空気の混合気に点火する従来の機関燃焼方法では、点火プラグを起点として火炎が伝播し、燃焼室の周縁部に到達することで燃焼が完了する。このため、燃焼室の周縁部に存在する未燃の混合気（末端ガス）が点火プラグから拡がる火炎（圧力波）によって圧縮され、点火プラグを起点として伝播する火炎が燃焼室の周縁部に到達する前に自己点火し、いわゆるノッキングを発生させていた。
【００２９】
この点、本実施の形態におけるエンジン１は、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料による高温の雰囲気を形成し、その雰囲気中に低オクタン価燃料の噴霧の塊を点在させて自然発火を促す。すなわち、爆発行程（膨張行程）において、燃焼室１３内の複数個所を起点として火炎が拡がるため、実質的な燃焼速度が上がり、ノッキングが発生する前に燃焼を完了することができる。
【００３０】
なお、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に噴射供給される低オクタン価燃料の量は、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に噴射供給される高オクタン価燃料の量の２０％（体積比率）以下とするのが好ましい。
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第２の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第２の実施の形態のエンジンは、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００３２】
図６は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００３３】
同図６に示すように、第２の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ高オクタン価燃料を噴射供給する点で、第１の実施の形態と共通する。しかし、第２燃料噴射弁７０を通じた低オクタン価燃料の噴射供給を２回行う点で第１の実施の形態と異なる。
【００３４】
以下、このような燃料噴射の形態を採用した場合、エンジン１の吸気行程及び排気行程において、吸気ポート４１や燃焼室１３内でみられる高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の動態について時系列的に説明する。
【００３５】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。
【００３６】
（２）次に、吸気行程の終了直前、或いは圧縮行程の初期段階において、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に低オクタン価燃料が噴射供給される。これにより、燃焼室１３内では、高オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気中に、低オクタン価燃料の濃度の高い部分が局所的に存在することになる。
【００３７】
（３）圧縮行程の後期には、燃焼室１３内の低オクタン価燃料の濃度の高い部分に、再度、低オクタン価燃料が噴射供給される。
【００３８】
（４）燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気のうち、とくに局所的にオクタン価が低くなっている部分（高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが混在する部分）に供給された低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、混合気全体が爆発的に燃焼して、エンジン出力を発生するに至る。
【００３９】
本実施の形態によれば、低オクタン価燃料の１回目の噴射供給により、局所的にオクタン価の低い部分を点在させる。そして、低オクタン価燃料の２回目の噴射供給では、低オクタン価燃料の濃度の高い部分に再度低オクタン価燃料の噴霧を供給し自然発火を促す。このため、圧縮行程の後期において噴射供給される低オクタン価燃料（点在する噴霧の塊）の点火性が高まる。このような噴射形態を採用することにより、とくにエンジン負荷が低く燃料の着火遅れが生じやすい条件下で、圧縮行程の後期に噴射供給される低オクタン価燃料の着火遅れを効果的に防止することができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第３の実施の形態について、上記各実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第３の実施の形態のエンジンもまた、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００４１】
図７は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００４２】
同図７に示すように、第３の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ高オクタン価燃料を噴射供給する点では、第１の実施の形態と共通する。しかし、第２燃料噴射弁７０を通じた低オクタン価燃料の噴射供給を圧縮行程において２回行う点で第１の実施の形態と異なる。
【００４３】
以下、このような燃料噴射の形態を採用した場合、エンジン１の吸気行程及び排気行程において、吸気ポート４１や燃焼室１３内でみられる高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の動態について時系列的に説明する。
【００４４】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。
【００４５】
これにより、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気が形成される。
【００４６】
（２）この後、圧縮行程に、第２燃料噴射弁７０を通じ、低オクタン価燃料が連続的に２回噴射供給される。
【００４７】
ここで、第２燃料噴射弁７０を通じた１回の噴射供給により、低オクタン価燃料の噴霧の塊が例えば５個形成されると仮定すれば、連続して２回の噴射供給を行うことにより、低オクタン価燃料の噴霧の塊が計１０個形成されることになる。
【００４８】
（３）燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気中において、計１０個存在する低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、混合気全体が爆発的に燃焼し、エンジン出力を発生するに至る。
【００４９】
このように、本実施の形態によれば、低オクタン価燃料の噴射供給を連続して２回行うことで、第２燃料噴射弁７０の構造の複雑化や設置数の増大を伴うことなく、燃焼室１３内に形成される低オクタン価燃料の噴霧の塊の数を倍増させる（調整する）ことができる。
【００５０】
（第４の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第４の実施の形態について、上記各実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第４の実施の形態のエンジンもまた、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００５１】
図８は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００５２】
同図８に示すように、第４の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ高オクタン価燃料を噴射供給する点では、第１の実施の形態と共通する。しかし、第２燃料噴射弁７０を通じた低オクタン価燃料の噴射供給を圧縮行程と爆発行程（膨張行程）に各１回ずつ行う点で第１の実施の形態と異なる。
【００５３】
以下、このような燃料噴射の形態を採用した場合、エンジン１の吸気行程及び排気行程において、吸気ポート４１や燃焼室１３内でみられる高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の動態について時系列的に説明する。
【００５４】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。
【００５５】
これにより、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気が形成される。
【００５６】
（２）この後圧縮行程において、第２燃料噴射弁７０を通じ、低オクタン価燃料の１回目の噴射供給がなされる。なお、この低オクタン価燃料の１回目の噴射供給は、第２燃料噴射弁７０の先端部７１に設けられた５つの噴射口のうち、中央の噴射口７２ａのみを通じて行われるように設定しておく。
【００５７】
（３）燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気に噴射供給された低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、低オクタン価燃料の噴霧の塊を起点とした燃料の爆発が始まる。そして、燃料の爆発に伴い火炎（圧力波）が燃焼室１３の周縁部に向かって伝播する。
【００５８】
（４）次に、爆発行程（膨張行程）が終了する前に、第２燃料噴射弁７０の先端部７１に設けられた５つの噴射口のうち、噴射口７２ａの周囲に設けられた噴射口７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ及び７２ｅを通じて低オクタン価燃料を再度噴射供給する。
【００５９】
これにより、噴射口７２ａを通じて噴射された燃料噴霧の塊を起点として、燃料の爆発に伴い火炎（圧力波）が燃焼室１３の周縁部に向かって伝播する過程で、燃焼室１３の周縁部近傍に存在する未燃の高オクタン価燃料に向かって低オクタン価燃料の噴霧が供給されることになる。これにより、燃焼室１３の周縁部近傍に存在する未燃の高オクタン価燃料の燃焼が始まるタイミングが早まり、ノッキングの発生が効果的に防止される。
【００６０】
（第５の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第５の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第５の実施の形態のエンジンは、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００６１】
図９は、エンジン１のクランク角を横軸にとり、エンジン１の吸気行程から圧縮行程に亘る期間中、第１燃料噴射弁６０を通じて供給される高オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移と、第２燃料噴射弁７０を通じて供給される低オクタン価燃料の量（単位時間当たり噴射量）の推移とを示すチャートである。
【００６２】
同図９に示すように、第５の実施の形態におけるエンジン１は、吸気行程においてピストン１２が下死点（最下点）ＢＤＣに到達する時点よりも前に、第１燃料噴射弁６０を通じ高オクタン価燃料を噴射供給する点で第１の実施の形態と共通する。しかし、第２燃料噴射弁７０を通じた低オクタン価燃料の噴射供給を２回行う点で第１の実施の形態と異なる。
【００６３】
以下、このような燃料噴射の形態を採用した場合、エンジン１の吸気行程及び排気行程において、吸気ポート４１や燃焼室１３内でみられる高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の動態について時系列的に説明する。
【００６４】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。また、同じ吸気行程において、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に低オクタン価燃料が噴射供給される。
【００６５】
これにより、高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の混合気（両者の中間のオクタン価の燃料蒸気）が燃焼室１３内に形成される。
【００６６】
（２）吸気行程の終了直前、或いは圧縮行程の初期段階において、第２燃料噴射弁７０を通じ燃焼室１３内に低オクタン価燃料が噴射供給される。
【００６７】
これにより、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気中に、低オクタン価燃料の噴霧の小さな塊が点在するようになる。
【００６８】
（３）この後、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料及び低オクタン価が略均一に混合・拡散した混合気中に、再度、低オクタン価燃料が噴射供給され、その噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、混合気全体が爆発的に燃焼して、エンジン出力を発生するに至る。
【００６９】
このように、本実施の形態では、吸気行程から圧縮行程の初期にかけ、高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の各々を予め燃焼室１３内に供給し、実質的に両者の中間のオクタン価を有する燃料の蒸気を燃焼室１３内に満たす。これにより、圧縮行程の後期において噴射供給される低オクタン価燃料（点在する噴霧の塊）の点火性が高まり、燃焼速度が全体として高くなる。この結果、燃料（点在する噴霧の塊）の着火遅れが効果的に防止されるようになる。
【００７０】
なお、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて燃焼室１３内に満たされる燃料のオクタン価が低くなると、点火性が高まる反面、点火タイミングの制御が困難になる。このため、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて燃焼室１３内に満たされる燃料のオクタン価（吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する高オクタン価燃料の量と低オクタン価燃料の量との比率）としては、点火性と点火タイミングの制御性とを両立して最適化できる数値を設定するのが好ましい。
【００７１】
また、このように点火性と点火タイミングの制御性とを両立して最適化できる数値は、例えばエンジン負荷等の運転条件によって異なる。そこで、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する高オクタン価燃料の量と、低オクタン価燃料の量の比率を、エンジン負荷等に応じて可変制御するようにしてもよい。例えば、エンジン負荷が低くなるほど燃料の点火性は低くなり、着火遅れが生じやすくなるため、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する低オクタン価燃料の量を多くすればよい。
【００７２】
また、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する低オクタン価燃料の噴射タイミング（以下、低オクタン価燃料の１回目噴射タイミングという）が遅くなると、燃焼室１３内における高オクタン価燃料及び低オクタン価燃料の混合が遅れる。すると、低オクタン価燃料が再度噴射される際、燃焼室１３内に高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが不均一に分布することになる。そして、両者の混合状態が不均一であるほど、後に噴射供給される低オクタン価燃料（噴霧の塊）の点火性は低下し、燃料の燃焼速度は全体として低くなる。すなわち、低オクタン価燃料の１回目噴射タイミングを可変とし、燃料の点火性や燃焼速度を制御してもよい。
【００７３】
（第６の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第５の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第５の実施の形態のエンジンは、ハードウエアとして、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構成を備える。そこで、エンジン自体も含め、各種構成要素について第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００７４】
第６の実施の形態では、第１燃料噴射弁６０及び第２燃料噴射弁７０を通じて行う燃料噴射の形態をエンジン１の運転領域に応じて変更する。
【００７５】
すなわち、図１０に示すように、エンジン１は、理論空燃比での運転が可能な全運転領域を領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃの３つに区画し、各領域毎に異なる燃料噴射の形態を採用する。
【００７６】
そして例えば、エンジン負荷が最も高い領域Ａでは、上記第１の実施の形態で説明した燃料噴射の形態（図４参照）を採用し、燃料の点火性の向上を優先的に図るようにする。また、エンジン負荷が最も低い領域Ｃでは、上記第５の実施の形態で説明した燃料噴射の形態（図９）を採用し、エンジン負荷が高くなるほど吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する低オクタン価燃料の量を少なくすればよい。また、領域Ａ及び領域Ｃの中間にあたる領域Ｂでは、基本的には領域Ｃと同じく上記第５の実施の形態で説明した燃料噴射の形態（図９）を採用しつつ、吸気行程から圧縮行程の初期にかけて供給する低オクタン価燃料の噴射タイミング（以下、低オクタン価燃料の１回目噴射タイミングという）が遅くなるように制御すればよい。
【００７７】
このような制御構造を適用することにより、エンジンの運転条件に応じて、燃料の点火性と点火タイミング（着火遅れ）の制御性とを併せて最適化することができる。これにより、２種の燃料噴射弁６０，７０を通じた各種燃料噴射の形態によるノッキングの抑制効果を、一層効果的に活用することができる。
【００７８】
実際、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて、燃料噴射の形態を領域Ａ，Ｂ，Ｃの３種に区画することで、ノッキングを発生させることなく理論空燃比で運転することの可能な領域を、実線で囲まれた領域から破線で囲まれた領域まで拡張できるようになることが、発明者らによって確認されている（図１０参照）。
【００７９】
（第７の実施の形態）
次に、本発明を車載エンジンに適用した第７の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、当該第７の実施の形態のエンジンの構成要素であって、第１の実施の形態で説明したエンジン１と同等の構造及び機能を備えるものについては、第１の実施の形態と同一の部材番号を用いることにより、ここでの重複する記載は省略する。
【００８０】
図１１に示すように、第７の実施の形態のエンジン１Ａは、吸気ポート４１内に高オクタン価燃料を噴射供給できる第１燃料噴射弁６０と、燃焼室１３内に燃料を噴射供給できる第２燃料噴射弁７０とを備える点では、エンジン１と共通する。その一方、燃焼室１３内に点火プラグ９０を備える点でエンジン１と異なる。点火プラグ９０は、ＥＣＵ８０の指令信号に基づき電気火花を発生させ、燃焼室１３内に供給される燃料及び空気の混合気に点火する機能を有する。
【００８１】
このようなハードウエア構成を備えたエンジン１は、機関運転に際して以下のような燃料噴射の形態を採用する。
【００８２】
（１）吸気行程において、第１燃料噴射弁６０を通じ吸気ポート４１内に高オクタン価燃料が噴射供給される。
【００８３】
これにより、燃焼室１３内において、高オクタン価燃料が略均一に混合・拡散した混合気が形成される。
【００８４】
（２）この後圧縮行程において、第２燃料噴射弁７０を通じ、低オクタン価燃料の１回目の噴射供給がなされる。
【００８５】
（３）燃焼室１３内で圧縮され高温となった混合気に噴射供給された低オクタン価燃料の噴霧の塊が自然発火（自点火）することにより、低オクタン価燃料の噴霧の塊を起点とした燃料の爆発が始まる。そして、燃料の爆発に伴い火炎（圧力波）が燃焼室１３の周縁部に向かって伝播する。
【００８６】
（４）次に、爆発行程（膨張行程）が終了する前に、点火プラグ９０に電気火花を発生させる。
【００８７】
すなわち、本実施の形態では、爆発行程（膨張行程）において、噴射口７２ａを通じて噴射された燃料噴霧の塊を起点とし、火炎（圧力波）が燃焼室１３内を伝播する過程において、未燃の高オクタン価燃料を点火プラグ９０によって点火することで、末端ガス（未燃の高オクタン価燃料）の燃焼が始まるタイミングを早める。この結果、ノッキングの発生が効果的に防止される。
【００８８】
なお、本実施の形態と逆の手順を採用することもできる。すなわち、点火プラグ９０による混合気の点火を最初に行い、火炎（圧力波）が燃焼室１３内を伝播する過程において、末端ガス（未燃の高オクタン価燃料）中に低オクタン価燃料の燃料噴霧の塊を形成することにより、末端ガスの燃焼を早めるようにしてもよい。
【００８９】
（ハードウエア構成の変形例）
図１２及び図１３には、上記各実施の形態にかかる制御構造を適用することのできるハードウエア構成の変形例を示す。すなわち、図１２に示すエンジン１Ｂや図１３に示すエンジン１Ｃの如く、ピストン１２の頭頂面１２ａに、リセスを設け、第２燃料噴射弁７０から噴射される燃料の噴霧が、爆発の起点（核）として最適な形態の塊を形成するようにしてもよい。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、実質的な燃焼速度を最適化することにより、ノッキングが発生する前に燃焼を完了することができる。その結果、ノッキングの発生を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態におけるエンジンを概略的に示す構成図。
【図２】 同実施の形態における第１燃料噴射弁の先端部の外観を示す側面図等。
【図３】 同実施の形態における第２燃料噴射弁の先端部の外観を示す側面図等。
【図４】 同実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図５】 同実施の形態における第１燃料噴射弁を通じて供給される高オクタン価燃料の動態と、第２燃料噴射弁を通じて供給される低オクタン価燃料の動態とを示す模式図。
【図６】 本発明の第２の実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図７】 本発明の第３の実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図８】 本発明の第４の実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図９】 本発明の第５の実施の形態における高オクタン価燃料の噴射供給量の推移と、低オクタン価燃料の噴射供給量の推移とを示すチャート。
【図１０】 本発明の第６の実施の形態において、燃料噴射の形態を決定するために、エンジン負荷及びエンジン回転数によって区画された３つの運転領域を示すマップ。
【図１１】 本発明の第７の実施の形態におけるエンジンを概略的に示す構成図。
【図１２】 本発明の第８の実施の形態におけるエンジンを概略的に示す構成図。
【図１３】 同実施の形態における他のエンジンを概略的に示す構成図。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
１０ エンジン本体
１０ａ シリンダブロック
１０ｂ シリンダヘッド
１１ シリンダ
１２ ピストン
１２ａ 頭頂面
１３ 燃焼室
１４ コンロッド
１５ クランクシャフト
１９ 吸気弁
１９ａ 軸部材
１９ｂ 弁体
２０ 排気弁
２０ａ 軸部材
２０ｂ 弁体
３１ 燃焼室
４１ 吸気ポート
５１ 排気ポート
６０ 第１燃料噴射弁
７０ 第２燃料噴射弁
６１ 先端部
６２ 頂面
６２ａ 噴射口
７１ 先端部
７２ 頂面
７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、７２ｅ 噴射口
９０ 点火プラグ
Claims (5)
- 内燃機関の燃焼室内に高オクタン価燃料を供給する第１の燃料供給手段と、
前記燃焼室内の複数方向に低オクタン価燃料を直接噴射供給し、同燃焼室内に低オクタン価燃料の濃度が局所的に高い部分を複数箇所存在させる第２の燃料供給手段と、
前記第１の燃料供給手段を通じて前記燃焼室内に高オクタン価燃料の雰囲気を形成した後、前記第２の燃料供給手段を通じて前記燃焼室内に低オクタン価燃料の濃度が局所的に高い部分を複数箇所存在させる制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関。 - 前記制御手段は、前記第２の燃料供給手段を通じた前記燃焼室内への低オクタン価燃料の供給を、当該機関の吸気行程および圧縮行程に行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
- 前記制御手段は、前記第２の燃料供給手段を通じた前記燃焼室内への低オクタン価燃料の供給を、前記圧縮行程において少なくとも２回行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
- 前記制御手段は、前記第２の燃料供給手段を通じた前記燃焼室内への低オクタン価燃料の供給を、前記圧縮行程及び膨張行程に行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
- 燃焼室内に形成される高オクタン価燃料の雰囲気中に、低オクタン価燃料の濃度が局所的に高い部分を複数箇所存在させ、圧縮行程においてその低オクタン価燃料を自己点火させることによって燃焼を行う
ことを特徴とする内燃機関の燃焼方法。
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