JP4305165B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関に関し、特には、燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、この噴射弁先端部から第１燃料（ガソリン）と第１燃料と蒸留温度が異なる第２燃料（アルコール）とが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関に関する。

直噴式の内燃機関がすでに実用化されている。この直噴式の内燃機関では、燃料噴射弁は燃焼室に露出した先端部から燃焼室内に直接燃料を噴射する。その結果、噴射弁先端部にデポジットが生成されることが知られている。非特許文献１はこの直噴式の内燃機関の噴射弁先端部のデポジットの生成メカニズムが示されている。そして、噴射弁先端部の温度を燃料の９０％蒸留温度より低くすることによってデポジットの発生を抑制できるということなどが開示されている。
また、特許文献１には噴射弁先端部にデポジットが生成されないように点火時期の制御や、燃料噴射の制御をおこなうことが開示されている。

一方、ガソリンにアルコールを混ぜた混合燃料を使用することも一部実用化されている。この場合、アルコールの濃度は一定でないことが多いので、このような混合燃料を使用する直噴式の内燃機関においてアルコール濃度を検出し、アルコール濃度に応じて点火時期の制御や燃料噴射の制御を変更して最適な運転性能を発揮するようにすることが特許文献２に開示されている。

ところで、アルコールは９０％蒸留温度がガソリンよりも低く、デポジットが堆積しやすい温度はガソリンよりも低い。したがって、アルコールを混ぜた混合燃料を直噴式の内燃機関で使用した場合は、ガソリンのみの場合よりも噴射弁の先端部にデポジットが生成されやすいということになる。そして、上述のように、アルコール濃度は一定でないことが多い。したがって、アルコール濃度が変化すればデポジットの生成される温度も変化する。

以上のことから、アルコール混合燃料を直噴式の機関に使用する場合は、デポジットの生成の防止に充分な配慮が必要である。上記特許文献２の装置はアルコール濃度検出装置を備え、アルコール濃度を検出することはできるが、目的は最適な運転性能を発揮することが目的であって、デポジットの生成の防止については何等配慮されていない。

特開平９−２８７５２５号公報 実開平３−４５４４６号公報 豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー Ｖｏｌ．３３，ＮＯ．３（１９９８．９）

本発明は、上記問題に鑑み、燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、この噴射弁先端部から第１燃料（ガソリン）と第１燃料と蒸留温度が異なる第２燃料（アルコール）とが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関において、噴射弁先端部にデポジットが生成されないようにすることを目的とする。

請求項１の発明によれば、燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、前記噴射弁先端部から第１燃料と第１燃料と蒸留温度が異なる第２燃料とが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関であって、
第２燃料の濃度を検出する第２燃料濃度検出手段と、
第２燃料濃度検出手段が検出した濃度でデポジットが発生しない噴射弁先端部許容温度を、予め定めた第２燃料濃度と噴射弁先端部許容温度との関係に基づいて算出する噴射弁先端部許容温度算出手段と、
噴射弁先端部温度を算出する噴射弁先端部温度算出手段と、
噴射弁先端部温度算出手段が算出した噴射弁先端部温度が、噴射弁先端部許容温度算出手段が算出した噴射弁先端部許容温度より、高い場合に、燃焼温度を降下せしめる燃焼温度降下手段と、を具備する、ことを特徴とする内燃機関が提供される
このように構成される内燃機関は、燃料噴射弁の燃焼室に露出した先端部から第１燃料と第１燃料と蒸留温度が異なる第２燃料とが混合された混合燃料が噴射されるが、第２燃料濃度検出手段で第２燃料の濃度が検出され、この検出された濃度でデポジットが発生しない噴射弁先端部許容温度が噴射弁先端部許容温度算出手段で算出される。一方、噴射弁先端部温度算出手段で噴射弁先端部温度が算出される。そして、噴射弁先端部温度が噴射弁先端部許容温度よりも高い場合には、低くなるように燃焼温度降下手段で燃焼温度が低下せしめられる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、第１燃料がガソリンであって、第２燃料がアルコールであり、第２燃料濃度検出手段はアルコール濃度検出手段とされる。

請求項３の発明では、請求項１の発明において、噴射弁先端部温度算出手段は、回転数と負荷から噴射弁先端部温度が推定される。さらに、請求項４の発明では、燃焼温度降下手段は、必要な温度降下量を得るための制御値変化量をマップからもとめるようにされている。

請求項５の発明では、請求項１の発明において、噴射弁先端部温度算出手段は、噴射弁先端部に設けた噴射弁先端部温度検出手段の出力から噴射弁先端部温度が算出される。さらに、請求項６の発明では、燃焼温度降下手段は、フィードバック制御によって燃焼温度を目標値まで降下せしめるようにされている。

請求項７の発明では、請求項１の発明において、内燃機関は火花点火式内燃機関であって、燃焼温度降下手段は点火時期を遅角せしめる点火時期遅角手段とされている。

請求項８の発明では、請求項１の発明において、内燃機関は空燃比を制御可能であり、燃焼温度降下手段は空燃比をリッチ化せしめる空燃比リッチ化手段とされている。

請求項９の発明では、請求項１の発明において、燃焼温度降下手段が、点火時期遅角手段と空燃比リッチ化手段とを含み、
内燃機関には、排気温度を検出する排気温度検出手段が備えられていて、
噴射弁先端部温度を低下させるために点火時期遅角手段で遅角して排気温度が許容温度を超えた場合には、排気温度が許容温度以下になるように点火時期を進角させ、その後、空燃比リッチ化手段で燃焼温度を降下せしめるようにされている。

請求項１０の発明では、請求項１の発明において、第１燃料のみでの運転を想定して基本仕様が設定されている。

各請求項の発明によれば、燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、噴射弁先端部から第１燃料と第１燃料と蒸留温度の異なる第２燃料とが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関において、第２燃料の濃度がばらついても噴射弁先端部にデポジットが生成されるのを防止することができる。
特に請求項３、４の発明では、現在の燃料噴射弁先端部の温度を回転数と負荷から推定しているので噴射弁先端部温度検出手段が不要でコストがかからない。
特に請求項５、６の発明では、現在の燃料噴射弁先端部の温度を噴射弁先端部温度検出手段の検出値からもとめるので精度がよい。
特に請求項９の発明では、排気温度を許容値以下に抑制できるので排気管に触媒を有する場合にも、触媒の過熱を防止しながらデポジットの生成を抑制することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は第１の実施の形態の構成を示す図である。エンジン１は成層燃焼可能な直噴エンジンであって、エンジン１はシリンダヘッド１ａとシリンダブロック１ｂを有すし、シリンダヘッド１ａには吸気ポート２、排気ポート３、および、吸気バルブ４、排気バルブ５が配設され。シリンダブロック１ｂにはシリンダボア６が形成されており、その内部をピストン７が摺動する。ピストン７の上部には成層燃焼を可能にするための凹部８が形成されている。吸気ポート２の上流側には図示されない吸気管が接続され、排気ポート３の下流側には図示されない排気管が接続されている。

そして、点火プラグ１０が吸気バルブ４、排気バルブ５の間に取付けられ、また、燃料噴射弁２０が、噴射弁先端部２１がシリンダヘッド１ａのシリンダブロック１ｂとの境目近傍にあるように、取付けられている。
そして、ガソリンにアルコールが混入された混合燃料が燃料タンク３０から第１燃料ポンプ３１によって燃料供給パイプ３２を介してコモンレール３４に送られ、コモンレール３４から複数の燃料噴射弁２０に分配されるがコモンレ−ル３４に流入する前に第２燃料ポンプ３３によって昇圧される。また、コモンレール３４には噴射されなかった燃料を燃料タンク３０に還流させるための燃料還流管３５が取付けられている。

そして、本発明に関わる部品として、センサの特徴として、アルコール濃度センサ４１がコモンレール３４に取付けられ、エンジン回転数センサ４３がシリンダヘッド２またはシリンダブロック３に取付けられ、吸気管圧力センサ４４が図示しない吸気管に取付けられている。
アルコール濃度センサ４１は、すでに各種のものが開発されており、例えば、特許文献２に記載のような濃度差による屈折率差を利用する光学式のものが使用される。

電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェイスを含むマイクロコンピュータである。ＥＣＵ４０には、本発明に関して、上記のアルコール濃度センサ４１、エンジン回転数センサ４３、吸気管圧力センサ４４からの信号が入力され、点火プラグ１０の点火時期を制御する点火制御装置１１、および、燃料噴射弁２０に信号が送られる。ＥＣＵ４０はその他の一般的な制御をおこなうが省略する。

上記のように構成される第１の実施の形態の制御について説明するが、この第１の実施の形態は、燃料のアルコール濃度を検出し、検出されたアルコール濃度に対する燃料噴射弁先端部の許容温度Tjaをマップから算出し、また、現在の運転条件における燃料噴射弁先端部の温度Tjをエンジン回転数と吸気管圧力をマップから算出する。そして、燃料噴射弁先端部の温度Tjが燃料噴射弁先端部の許容温度Tjaより高い場合は、低くするために必要な点火時期の遅角量をもとめて、もとめた遅角量だけ遅角させるものである。なお、点火時期を遅角させると所謂「後燃え」になり排気ガスの温度は高くなるが燃料噴射弁先端部の温度に影響を与える気筒内の燃焼ガスの最高温度は低下する。

図４に示すのが上記の考えにもとづく第１の実施の形態の制御のフローチャートである。エンジン１は成層燃焼可能なエンジンであるが、この制御をおこなうのは、成層燃焼していない時におこなうので、まず制御はステップＳ１０１で成層燃焼であるか、否か、が判定される。そして、肯定判定された、場合は、上記にもとづきステップＳ１０６に進んで通常の点火時期で運転する指令を出して終了する。

そして、ステップＳ１０１で否定判定された場合はステップＳ１０２に進み、アルコール濃度センサ４１の出力から燃料性状（アルコール濃度）を算出しステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では予めＥＣＵ４０に記憶しておいた図９に示すマップを利用してステップＳ１０２で算出した燃料性状に対応する燃料噴射弁先端部２１の許容温度Tjaを算出してステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では現在の運転状況における燃料噴射弁先端部２１の温度Tjを、エンジン回転数センサ４３が検出したエンジン回転数と吸気管圧力センサ４４が検出した吸気管圧力と、ＥＣＵ４０に記憶しておいた図１０に示すマップにもとづき算出してステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で算出した現在の運転状況における燃料噴射弁先端部２１の温度TjがステップＳ１０３で算出した燃料性状に対応する燃料噴射弁先端部２１の許容温度Tjaよりも低いか、否か、を判定する。肯定判定された場合は、通常の点火時期で運転しても燃料噴射弁先端部２１にデポジットが生成されないので、ステップＳ１０６に進み、通常の点火時期で運転する指令を出してから終了する。

一方、ステップＳ１０５で否定判定された場合は、通常の点火時期で運転すると燃料噴射弁先端部２１の温度Tjが許容温度Tjaを超えてしまう。そこで、ステップＳ１０７、ステップＳ１０８で前述のように点火時期を遅角させて燃料噴射弁先端部２１の温度Tjが許容温度Tjaを超えないようにする。

まず、ステップＳ１０７では、必要とされる燃料噴射弁先端部２１の温度Tjの降下量、すなわち燃料噴射弁先端部２１の温度Tjと許容温度Tjaの差、を算出し、これに対応する点火時期の遅角量を予めＥＣＵ４０に記憶してある図１１のマップから算出する。そして、ステップＳ１０８でステップＳ１０７で算出した遅角量だけ点火時期を遅角させて終了する。

次に、第１の実施の形態の変形例について説明する。
この第１の実施の形態の変形例は、前述した第１の実施の形態では燃料噴射弁先端部２１の温度Tjを降下させるために点火時期を遅角していたが、これをＡ／Ｆのリッチ化でおこなうようにしたものである。なお、Ａ/Ｆをリッチ化させると燃料による冷却により燃料噴射弁先端部２１の温度に影響を与える気筒内の燃焼ガスの最高温度が低下する。

図５が、第１の実施の形態の変形例の制御のフローチャートであり、上記に対応して、第１の実施の形態のステップＳ１０５、ステップＳ１０７、ステップＳ１０８がそれぞれ、ステップＳ１０５ａ、ステップＳ１０７ａ、ステップＳ１０８ａに変更されているがその他は同じである。したがって、変更されたステップＳ１０５ａ、ステップＳ１０７ａ、ステップＳ１０８ａについてのみ説明する。

ステップＳ１０５で肯定判定された場合は通常のＡ/Ｆで運転しても燃料噴射弁先端部２１にデポジットが生成されないので、ステップＳ１０６ａに進み、通常のＡ/Ｆで運転する指令を出してから終了する。

一方、ステップＳ１０５で否定判定された場合は、通常のＡ/Ｆで運転すると燃料噴射弁先端部２１の温度Tjが許容温度Tjaを超えてしまう。そこで、ステップＳ１０７ａ、ステップＳ１０８ａで前述したようにＡ/Ｆをリッチ化させて燃料噴射弁先端部２１の温度Tjが許容温度Tjaを超えないようにする。

まず、ステップＳ１０７ａでは、必要とされる燃料噴射弁先端部２１の温度Tjの降下量、すなわち燃料噴射弁先端部２１の温度Tjと許容温度Tjaの差、を算出し、これに対応するＡ/Ｆのリッチ化量を予めＥＣＵ４０に記憶してある図１２のマップから算出する。そして、ステップＳ１０８ａでステップＳ１０７ａで算出したＡ/Ｆのリッチ化量になるように燃料を増量して終了する。

上述のように、第１の実施の形態では、燃料噴射弁先端部２１の温度がデポジットが生成されないアルコール濃度に応じた許容温度になるように点火時期の遅角により降下されデポジットが生成されない。また、第１の実施の形態の変形例では、燃料噴射弁先端部２１の温度がデポジットが生成されないアルコール濃度に応じた許容温度になるようにＡ/Ｆのリッチ化により降下されデポジットが生成されない。
また、燃料噴射弁先端部の温度を算出するのに温度センサを使用していないのでコストが安い。

次に、第２の実施の形態について説明する。この第１の実施の形態は図２に示すように燃料噴射弁先端部２１の温度を検出するための噴射弁先端部温度センサ４２を備えており、以下の考え方によって制御をおこなう。
第１の実施の形態と同様に燃料のアルコール濃度を検出し、検出されたアルコール濃度に対する燃料噴射弁先端部の許容温度Tjaをマップから算出する。現在の運転条件における燃料噴射弁先端部２１の温度Tjmaxを噴射弁先端部温度センサ４２の検出値から算出する。そして、燃料噴射弁先端部２１の温度Tjが燃料噴射弁先端部２１の許容温度Tjaより高い場合は、低くなるまで点火時期をフィードバック制御で遅角する。

図６に示すのが第２の実施の形態のフローチャートである。ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３は第１の実施の形態のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同じである。そして、ステップＳ２０４に進んだ場合に温度センサ４２の検出値から現在の運転条件における燃料噴射弁先端部２１の最高温度Tjmaxを検出する。ステップＳ２０５ではステップＳ２０５で算出した燃料噴射弁先端部２１の最高温度Tjmaxが許容温度Tjaより低いか、否か、を判定し、肯定判定された場合は、ステップＳ２０６で第１の実施の形態のステップステップＳ１０６と同様に通常の点火時期で運転する指令を出して終了する。

ステップＳ２０５で否定判定された場合は、ステップS２０７、ステップS２０８で燃料噴射弁先端部２１の最高温度Tjmaxが許容温度Tjaより低くなるまで点火時期を遅角し、低くなったならば、その低くされた現在の点火時期で運転する指令を出して終了する。

次に、第２の実施の形態の変形例について説明する。
この第２の実施の形態の変形例は、第１の実施の形態に対する変形例と同様に、燃料噴射弁先端部２１の温度Tjを降下させるための手段を点火時期の遅角からＡ／Ｆのリッチ化に変更したものである。

図７がこの第２の実施の形態の変形例のフローチャートであって、第２の実施の形態のステップＳ２０６、ステップＳ２０８、ステップＳ２０９がそれぞれ、対応して、Ａ/Ｆに関わるステップＳ２０６ａ、ステップＳ２０８ａ、ステップＳ２０９ａに変更されているが詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態、および、その変形例は、上記のように構成され、作用し、第１の実施の形態に比して、燃料噴射弁先端部温度センサ４２によって直接に燃料噴射弁先端部２１の最高温度Tjmaxを算出しているので精度がよい。

次に、第３の実施の形態について説明する。
この第３の実施の形態は、第２の実施の形態と同様に、噴射弁先端部温度センサ４２の検出値から噴射弁先端部最高温度Tjmaxを検出し、それが噴射弁先端部許容温度Tjaを超えないように点火時期を遅角させる。しかし、図３に示すように排気温度センサ４５を備えていて、点火時期の遅角によって排気ガス温度Tegがその許容値Tegaを超える場合は、許容値Tegaを超えないように点火時期を進角し、その状態で、噴射弁先端部最高温度Tjmaxが噴射弁先端部許容温度Tjaを超えないようにＡ/Ｆをリッチ化させるものである。

図８がこの第３の実施の形態の制御のフローチャートである。ステップＳ３０１〜ステップＳ３０７は、第２の実施の形態のステップＳ２０１〜ステップＳ２０７と同じであるので説明は省略する。
ステップＳ３０７の終了後、ステップＳ３０８で点火時期の遅角によって排気ガス温度Tegがその許容値Tegaを超えていないか、否か、を判定し、肯定判定された場合はステップＳ３０９に進む。ステップＳ３０９では、噴射弁先端部最高温度Tjmaxが噴射弁先端部許容温度Tjaより低いか、否か、を判定する。ステップＳ３０９で否定判定された場合はステップＳ３０７に戻りさらに遅角し、肯定判定された場合はステップＳ３１０で遅角された現在の点火時期で運転する指令を出して終了する。

一方、ステップＳ３０８で否定判定された場合、すなわち、点火時期の遅角によって排気ガス温度Tegがその許容値Tegaを超えた場合は、ステップＳ３１１に進み点火時期を進角させる。そして、ステップＳ３１２に進んで排気ガス温度Tegがその許容値Tega以下になったかを判定する。ステップＳ３１２で否定判定された場合はステップＳ３１１に戻りさらに進角させる。ステップＳ３１２で肯定判定されたら、すなわち、排気ガス温度Tegがその許容値Tega以下になったら、ステップＳ３１３に進んで噴射弁先端部最高温度Tjmaxが噴射弁先端部許容温度Tjaより低いか、否か、を判定する。

ステップＳ３１３で肯定判定された場合はステップＳ３１６で現在の点火時期とＡ/Ｆで運転する指令を出して終了する。一方、ステップＳ３１３で否定判定された場合はステップＳ３１４、ステップＳ３１５で噴射弁先端部最高温度Tjmaxが噴射弁先端部許容温度Tja以下になるまでＡ/Ｆをリッチ化させてからステップ３１６に進んで、現在の点火時期とＡ/Ｆで運転する指令を出して終了する。

第３の実施の形態は、上記のように構成され、作用し、排気温度の上昇が防止され、排気管に触媒が設けられている場合にも触媒の過熱が防止される。

本発明は燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、この噴射弁先端部から第１燃料、と第１燃料と蒸留温度が異なる第２燃料とが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関に適用することができる。特には、第１燃料がガソリンで第２燃料がアルコールの場合を想定しているが、同様な組み合わせの他の混合燃料の場合にも適用することができる。

第１の実施の形態の構成を示す図である。 第２の実施の形態の構成を示す図である。 第３の実施の形態の構成を示す図である。 第１の実施の形態の制御のフローチャートである。 第１の実施の形態の変形例のフローチャートである。 第２の実施の形態の制御のフローチャートである。 第２の実施の形態の変形例のフローチャートである。 第３の実施の形態の変形例のフローチャートである。 アルコール濃度と噴射弁先端許容温度の関係を示す図である。 運転条件に対する噴射弁先端温度の変化を示す図である。 点火時期遅角量と噴射弁先端温度降下量の関係を示す図である。 Ａ/Ｆ変化量と噴射弁先端温度降下量の関係を示す図である。

符号の説明

１…エンジン
１０…点火プラグ
１１…点火制御装置
２０…燃料噴射弁
２１…燃料噴射弁先端部
２２…温度センサ
３０…燃料タンク
３２…第１燃料ポンプ
３３…第２燃料ポンプ
３４…コモンレール
４０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４１…アルコール濃度センサ
４２…噴射弁先端部温度センサ
４３…エンジン回転数センサ
４４…吸気管圧力センサ
４５…排気温度センサ

Claims (10)

1. 燃焼室に露出した先端部から燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、前記噴射弁先端部から第１燃料と第１燃料と蒸留温度が異なる第２燃料とが混合された混合燃料が噴射され得る内燃機関であって、
   第２燃料の濃度を検出する第２燃料濃度検出手段と、
   第２燃料濃度検出手段が検出した濃度でデポジットが発生しない噴射弁先端部許容温度を、予め定めた第２燃料濃度と噴射弁先端部許容温度との関係に基づいて算出する噴射弁先端部許容温度算出手段と、
   噴射弁先端部温度を算出する噴射弁先端部温度算出手段と、
   噴射弁先端部温度算出手段が算出した噴射弁先端部温度が、噴射弁先端部許容温度算出手段が算出した噴射弁先端部許容温度より、高い場合に、燃焼温度を降下せしめる燃焼温度降下手段と、を具備する、ことを特徴とする内燃機関。
2. 第１燃料がガソリンであって、第２燃料がアルコールであり、第２燃料濃度検出手段はアルコール濃度検出手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 噴射弁先端部温度算出手段は、回転数と負荷から噴射弁先端部温度を推定する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 燃焼温度降下手段は、必要な温度降下量を得るための制御値変化量をマップからもとめる、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 噴射弁先端部温度算出手段は、噴射弁先端部に設けた噴射弁先端部温度検出手段の出力から噴射弁先端部温度を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
6. 燃焼温度降下手段は、フィードバック制御によって燃焼温度を目標値まで降下せしめる、ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 内燃機関は火花点火式内燃機関であって、燃焼温度降下手段は点火時期を遅角せしめる点火時期遅角手段である、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
8. 内燃機関は空燃比を制御可能であり、燃焼温度降下手段は空燃比をリッチ化せしめる空燃比リッチ化手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
9. 燃焼温度降下手段が、点火時期遅角手段と空燃比リッチ化手段とを含み、
   内燃機関には、排気温度を検出する排気温度検出手段が備えられていて、
   噴射弁先端部温度を低下させるために点火時期遅角手段で遅角して排気温度が許容温度を超えた場合には、排気温度が許容温度以下になるように点火時期を進角させ、その後、空燃比リッチ化手段で燃焼温度を降下せしめる、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
10. 第１燃料のみでの運転を想定して基本仕様が設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。

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