JP5999016B2 - 火花点火式エンジン - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、火花点火式エンジンに関する。

近年、地球温暖化等の環境問題の視点からバイオ燃料が注目されており、ガソリンにエタノールを２５％混合したＥ２５からエタノール１００％のＥ１００まで、ガソリンと例えばバイオエタノールとを任意の混合比で混合した燃料で走行可能なＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle）が実用化されている。

エタノールとガソリンとでは気化特性が異なるため、ＦＦＶにおいては、エタノールの気化特性を考慮した制御が必要になる。具体的には、エタノールは、低温時においてガソリンに比べて気化率が低い。そのため、エタノールの濃度が高いほど燃料の気化性能は悪化し、燃焼安定性が低下する。特に、エタノールの精製過程で十分に水分が除去されていない、水分含有のＥ１００（例えば５％程度の水分を含有するＥ１００）を燃料として用いる場合には、この問題が大きい。

例えば、特許文献１に開示されたＦＦＶは、通常の走行中にエンジンに供給する燃料を貯留するためのメインタンクとは別に、燃料の気化性能に優れたガソリン濃度の高い燃料を貯留するサブタンクを設けている。エンジンの始動時やアイドリング時には、サブタンクからガソリン濃度の高い燃料をエンジンに供給することで、始動性やアイドリング時の安定性を向上させている。

また、特許文献２に開示されたＦＦＶは、燃料が気化し難い運転条件となるほど、気筒内に噴射する燃料の燃圧を高めている。これにより、燃料を微細化させ、気化を促進させている。

特開２０１０−１３３２８８号公報 特開２０１０−０３７９６８号公報

このように、特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率が低い特殊燃料が供給されるエンジンにおいては、冷間時等の気化に不利な運転条件下では燃焼室に供給された燃料が未燃かつ液体の状態で残留することがある。この未燃の燃料は、燃焼室からクランク室へ滴下し、オイルパン内のエンジンオイルに混入する。

オイルパン内の特殊燃料は、低温時においては気化し難く、エンジンオイルに混入したままであるが、特殊燃料の温度がその沸点を超えると、該特殊燃料は一気に蒸発する。その際、特殊燃料は、周りのエンジンオイルを微粒化した状態で含むことになる。

こうして、蒸発した特殊燃料は、クランク室からブローバイ通路を介して吸気通路へ導かれ、最終的には燃焼室へ導入される。

つまり、特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率が低い特殊燃料が供給されるエンジンにおいては、クランク室で蒸発した特殊燃料を介してエンジンオイルが燃焼室へ導入されてしまう。エンジンオイルは、燃焼安定性の観点からは好ましいものではない。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率が低い特殊燃料が供給されるエンジンにおいて燃焼安定性を向上させることにある。

ここに開示された技術は、特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率の低い特殊燃料を含む燃料が供給されるように構成されたエンジン本体と、前記エンジン本体のクランク室に連通し、エンジンオイルを貯留する貯留部と、前記クランク室のブローバイガスを前記エンジン本体に設けられた吸気通路へ導くブローバイ通路と、前記エンジン本体の運転を制御する制御部とを備えた火花点火式エンジンを対象とし、前記制御部は、前記貯留部において前記エンジンオイル中に混入していた前記特殊燃料が蒸発することによって、前記ブローバイ通路を介して前記吸気通路へ流入する前記特殊燃料が所定量以上になったことを判定したときには、前記ブローバイ通路を介して前記吸気通路へ流入する前記特殊燃料が所定量未満のときに比べて、前記エンジン本体の有効圧縮比を高くするものとする。

ここで、「特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率の低い特殊燃料」とは、例えば単一成分燃料であり、具体的にはエタノール又はメタノール等のアルコールを例示することができる。アルコールの具体例としては、サトウキビを原料としたバイオエタノール等の、生物由来アルコールとしてもよい。

また、「特殊燃料を含む燃料」は、特殊燃料とそれ以外の物質（例えば、ガソリン）とを混合した燃料、及び、特殊燃料のみの燃料の双方を含む。特殊燃料をエタノールとしたときに、「特殊燃料を含む燃料」には、例えば、ガソリンにエタノールを２５％混合したＥ２５から、エタノール１００％のＥ１００まで、ガソリンとエタノールとを任意の混合比で混合した燃料が含まれ得る。この「特殊燃料を含む燃料」には、特殊燃料と水とを混合した燃焼も含まれ得る。従って、５％程度の水分を含有するＥ１００もまた、ここでいう「特殊燃料を含む燃料」に含まれる。

この構成によれば、貯留部において蒸発し、ブローバイ通路を介して吸気通路へ流入する特殊燃料が多いときには、ブローバイ通路を介して吸気通路へ流入する特殊燃料が少ないときに比べて、エンジン本体の有効圧縮比が高くされる。貯留部において蒸発し、ブローバイ通路を介して吸気通路へ流入する特殊燃料が多いときには、該特殊燃料を介して燃焼室へ導入されるエンジンオイルも多くなる。このようなときには、有効圧縮比が高められるので、圧縮行程における気筒内圧力及び温度が高くなる。その結果、燃焼室へ導入されるエンジンオイルが多い場合であっても燃焼安定性の悪化を抑制することができる。

一方、ブローバイ通路を介して吸気通路へ流入する特殊燃料が少ないときには、有効圧縮比が低くなる。これにより、ポンプ損失を低減し、燃費の向上を図ることができる。

また、火花点火式エンジンは、前記エンジン本体に設けられた吸気ポートを開閉する吸気弁をさらに備え、前記制御部は、所定負荷以下の部分負荷時において前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅い時期に設定しており、前記ブローバイ通路を介して前記吸気通路へ流入する前記特殊燃料が所定量以上になったことを判定したときには、前記ブローバイ通路を介して前記吸気通路へ流入する前記特殊燃料が所定量未満のときに比べて、前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点に近づけるようにしてもよい。

ここで、「所定負荷以下の部分負荷時」とは、例えば全開負荷を含む高負荷時以外の負荷時のことであり、エンジンの負荷領域を分割したときに、全開負荷を含む高負荷領域よりも少なくとも低負荷側の領域内に、エンジン本体の運転状態があるときを意味する。例えば、「所定負荷以下の部分負荷時」は、エンジンの負荷領域を低負荷領域と高負荷領域とに２分割したときの低負荷領域内に、エンジン本体の運転状態があるとき、としてもよいし、エンジンの負荷領域を、例えば低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域に３分割したときの低・中負荷領域内に、エンジン本体の運転状態があるとき、としてもよい。

この構成によれば、吸気弁の閉弁時期を遅閉じのタイミングから吸気下死点に近づけることによって有効圧縮比の増大が実現される。この構成によれば、有効圧縮比の調整を容易に実現できると共に、比較的高回転の運転領域であっても有効圧縮比の調整を実現することができる。

つまり、クランク軸とコンロッドとをリンク機構を介して連結することによって有効圧縮比を機械的に可変とする構成に比べて、吸気弁の閉弁時期を調整するだけで有効圧縮比の調整ができるので、有効圧縮比の増大を容易に且つ応答性よく実現できる。また、有効圧縮比の増大は、吸気弁の閉弁時期を早閉じのタイミングに設定しておき、そこから閉弁時期を吸気下死点に近づけることも考えられる。しかし、高回転の運転領域においては吸気慣性の影響が大きく、閉弁時期が短すぎると気筒内への空気充填量が少なくなってしまうため、吸気弁の閉弁時期を早閉じに設定することは不適である。それに対し、吸気弁の閉弁時期を遅閉じのタイミングに設定している場合には、高回転の運転領域であっても、空気を吸い込む期間をできる限り長くすることができる。つまり、吸気弁の閉弁時期を遅閉じのタイミングに設定する構成であれば、高回転の運転領域であっても適切な運転を行いつつ、有効圧縮比の調整も行うことができる。

また、部分負荷時であれば、要求出力が大きくないので、吸気弁を遅閉じにすることによって有効圧縮比が低下してしまっても問題はない。つまり、出力がさほど要求されないときには有効圧縮比を低減してポンプ損失を低減する一方、蒸発した特殊燃料と共に流入するエンジンオイルが多いときには有効圧縮比を向上させて、燃焼安定性を向上させている。これにより、全体的な燃費改善を図ることができる。

前記火花点火式エンジンによれば、燃焼安定性を向上させることができる。

火花点火式エンジン及びその制御装置の構成を示す概略図である。 温度に対するガソリンの蒸留量の変化とエタノールの蒸留量の変化とを比較する図である。 エンジン水温に対する吸気弁の閉弁時期の変化を示すグラフである。 エンジンの運転サイクルに対する酸素濃度の不足率の変化を示すグラフである。 エタノールの蒸発量に対する有効圧縮比の変化を示すグラフである。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

以下、直噴エンジンの実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は例示である。図１に示されるように、エンジンシステムは、エンジン（エンジン本体）１、エンジン１に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及びセンサからの信号に基づきアクチュエータを制御するエンジン制御器１００を有する。このエンジンシステムは、幾何学的圧縮比が１２以上２０以下（例えば１４）の高圧縮比エンジン１を備える。

エンジン１は、火花点火式４ストローク内燃機関であって、図１には１つのみ図示するが、直列に配置された第１〜第４の４つの気筒１１を有する。但し、ここに開示する技術が適用可能なエンジンは、直列４気筒エンジンには限定されない。エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。

このエンジン１には、エタノール（バイオエタノールを含む）を含有する燃料が供給される。特にこの車両は、エタノールの濃度が２５％（つまり、Ｅ２５）〜１００％（つまり、Ｅ１００）までの任意の濃度の燃料が使用可能なＦＦＶである。図示は省略するが、この車両は、前記の燃料を貯留する燃料（メインタンク）のみを有しており、従来のＦＦＶのように、ガソリン濃度の高い燃料を、メインタンクとは別に貯留するためのサブタンクを有していない。ただし、サブタンクを設けてもよい。

エンジン１は、シリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の上に載置されるシリンダヘッド１３と、シリンダブロック１２に下に設けられるオイルパン２３とを備えている。ブロック１２の内部に気筒１１が形成されている。周知のように、シリンダブロック１２には、ジャーナル、ベアリングなどによりクランクシャフト１４が回転自在に支持されており、このクランクシャフト１４が、コネクティングロッド１６を介してピストン１５に連結されている。シリンダブロック１２の下部とオイルパン２３とによってクランク室１２ａが形成されている。オイルパン２３の内側には、エンジンオイルを貯留するオイル貯留部２３ａが形成されている。オイル貯留部２３ａとクランク室１２ａとは、連通している。オイル貯留部２３ａは、貯留部の一例である。

各気筒１１の天井部には、略中央部からシリンダヘッド１３の下端面付近まで延びる２つの傾斜面が形成されており、それらの傾斜面が互いに差し掛けられた屋根のような形状をなすいわゆるペントルーフ型となっている。

前記ピストン１５は、各気筒１１内に摺動自在に嵌挿されており、気筒１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。ピストン１５の頂面は、前述した気筒１１の天井面のペントルーフ型の形状に対応するように、その周縁部から中央部に向かって隆起する台形状に形成されており、これによって、ピストン１５が圧縮上死点に到達したときの燃焼室容積を小さくして、１２以上の高い幾何学的圧縮比を達成している。ピストン１５の頂面にはまた、その概略中心位置に、概ね球面状に凹陥したキャビティ１５１が形成されている。このキャビティ１５１は、気筒１１の中心部に配設された点火プラグ５１に相対するように、配置されており、これによって、燃焼期間を短縮するようにしている。つまり、前述したように、この高圧縮比エンジン１は、ピストン１５の頂面が隆起していて、ピストン１５が圧縮上死点に到達したときに、ピストン１５の頂面と気筒１１の天井面との間隔が極めて狭くなるように構成されている。このため、キャビティ１５１を形成していないときには、初期火炎がピストン１５の頂面と干渉して冷却損失が増大し、火炎伝播が阻害されて燃焼速度が遅延してしまう。これに対し、前記のキャビティ１５１は、初期火炎の干渉を回避して、その成長を妨げないため、火炎伝播が速くなって、燃焼期間が短縮し得る。このことは、ガソリン濃度の高い燃料においては、ノッキングの抑制に有利になり、点火時期の進角によるトルクの向上に寄与する。

気筒１１毎に、吸気ポート１８及び排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれが燃焼室１７に連通している。吸気弁２１及び排気弁２２はそれぞれ、吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構３０により、排気弁２２は排気弁駆動機構４０により、それぞれ駆動され、それによって所定のタイミングで往復動して、吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉する。

吸気弁駆動機構３０及び排気弁駆動機構４０は、それぞれ吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１を有する。カムシャフト３１，４１は、周知のチェーン／スプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフト１４に連結される。動力伝達機構は、周知のように、クランクシャフト１４が二回転する間に、カムシャフト３１，４１を一回転させる。

吸気弁駆動機構３０は、吸気弁２１の開閉時期を変更可能な吸気バルブタイミング可変機構３２を含んで構成され、排気弁駆動機構４０は、排気弁２２の開閉時期を変更可能な排気バルブタイミング可変機構４２を含んで構成される。吸気バルブタイミング可変機構３２は、この実施形態では、吸気カムシャフト３１の位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）により構成され、排気バルブタイミング可変機構４２は、排気カムシャフト４１の位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な電動式の位相可変機構により構成されている。吸気バルブタイミング可変機構３２は、吸気弁２１の閉弁時期を変更することにより、有効圧縮比を調整し得るものである。尚、有効圧縮比とは、吸気弁閉弁時の燃焼室容積と、ピストン１５が上死点にあるときの燃焼室容積との比である。尚、ＶＶＴは、液圧式又は機械式であってもよい。

点火プラグ５１は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ５１の電極は、気筒１１の概略中心において燃焼室１７の天井部に臨んでいる。点火システム５２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ５１が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。

燃料噴射弁５３は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造で、この実施形態ではシリンダヘッド１３の一側（図例では吸気側）に取り付けられている。このエンジン１は、燃料を気筒１１内に直接噴射する、いわゆる直噴エンジンであり、燃料噴射弁５３の先端は、上下方向については吸気ポート１８の下方に、また、水平方向については気筒１１の中央に位置して、燃焼室１７内に臨んでいる。但し、燃料噴射弁５３の配置はこれに限定されるものではない。燃料噴射弁５３は、この例においては、多噴口（例えば６噴口）型の燃料噴射弁（Multi Hole Injector：ＭＨＩ）である。各噴口の向きは、図示は省略するが、気筒１１内の全体に燃料が噴射できるように、噴口軸の芯先が広がっている。ＭＨＩの利点は、多噴口であるため一噴口の径が小さく、比較的高い圧力で燃料を噴射し得る点、及び、気筒１１内の全体に燃料を噴射可能に広がっているため、燃料のミキシング性が高まると共に、燃料の気化・霧化が促進される点にある。従って、吸気行程中に燃料を噴射した場合は、気筒１１内の吸気流動を利用した、燃料のミキシング性、及び、気化・霧化の促進の点で有利になる一方、圧縮行程において燃料を噴射した場合は、燃料の気化・霧化の促進により、気筒１１内のガス冷却の点で有利になる。尚、燃料噴射弁５３は、ＭＨＩに限定されるものではない。

燃料供給システム５４は、燃料を昇圧して燃料噴射弁５３に供給する高圧ポンプ（燃料ポンプ）と、この高圧ポンプに対して燃料タンクからの燃料を送る配管やホース等と、燃料噴射弁５３を駆動する電気回路と、を備えている。燃料ポンプは、この例ではエンジン１によって駆動される。尚、燃料ポンプを電動ポンプとしてもよい。燃料噴射弁５３が多噴口型である場合は、微小な噴口から燃料を噴射するために、燃料噴射圧力は比較的高く設定される。電気回路は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて燃料噴射弁５３を作動させ、所定のタイミングで所望量の燃料を、燃焼室１７内に噴射させる。ここで、燃料供給システム５４は、エンジン回転数が上昇するに伴い燃圧を高く設定する。これは、エンジン回転数が上昇するに伴い、気筒１１内に噴射される燃料量も増大するが、燃圧が高くなることで、燃料の気化・霧化に有利になると共に、燃料噴射弁５３の燃料噴射に係るパルス幅を可及的に短くするという利点がある。前述したように、燃料タンクには、Ｅ２５〜Ｅ１００までの任意のエタノール濃度のアルコール含有燃料が貯留されている。

吸気ポート１８は、吸気マニホールド５５内の吸気経路５５ｂによってサージタンク５５ａに連通している。図示しないエアクリーナからの吸気流は、スロットルボディ５６を通過してサージタンク５５ａに供給される。スロットルボディ５６にはスロットル弁５７が配置されており、このスロットル弁５７は、周知のようにサージタンク５５ａに向かう吸気流を絞って、その流量を調整する。スロットル・アクチュエータ５８が、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、スロットル弁５７の開度を調整する。

サージタンク５５ａには、ＰＣＶ（Positive Crankcase Ventilation）ホース５９の下流端が接続されている。ＰＣＶホース５９の上流端は、エンジンブロック１２にＰＣＶバルブ５９ａを介して接続されている。ＰＣＶホース５９は、エンジンブロック１２のクランク室１２ａと連通している。ＰＣＶバルブ５９ａは、クランク室１２ａからＰＣＶホース５９へのブローバイガスの流入を許容する一方で、ＰＣＶホース５９からクランク室１２ａへの気体の流入を阻止する。こうして、サージタンク５５ａには、クランク室１２ａ内のブローバイガスがＰＣＶホース５９を介して流入する。ＰＣＶホース５９は、ブローバイ通路の一例である。サージタンク５５ａは、吸気通路の一例である。

排気ポート１９は、排気マニホールド６０内の排気経路によって周知のように排気管６１内の通路に連通している。この排気マニホールド６０は、図示を省略するが、各気筒１１の排気ポート１９に接続された分岐排気通路が、排気順序が隣り合わない気筒同士で第１集合部により集合され、各第１集合部の下流の中間排気通路が第２集合部で集合された構造となっている。すなわち、このエンジン１の排気マニホールド６０には、いわゆる４−２−１レイアウトが採用されている。排気管６１には、リニアＯ_２センサ７９が設けられている。リニアＯ_２センサ７９は、排気ガス中の酸素濃度に基づいて混合気の空燃比を検出する。

エンジン１にはまた、その始動時にクランキングを行うためのスタータモータ２０が設けられている。

エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。エンジン制御器１００は、制御部の一例である。

尚、制御部は、ハードロジックで実現してもよい。制御部は、１つの素子で構成してもよいし、物理的に複数の素子で構成してもよい。複数の素子で構成する場合、１つの制御を複数の素子で実現してもよい。

エンジン制御器１００は、エアフローセンサ７１からの吸気流量及び吸気温度、吸気圧センサ７２からの吸気マニホールド圧、クランク角センサ７３からのクランク角パルス信号、水温センサ７８からのエンジン水温、リニアＯ_２センサ７９からの空燃比というように、種々の入力を受ける。エンジン制御器１００は、例えばクランク角パルス信号に基づいて、エンジン回転数を計算する。また、エンジン制御器１００は、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７５からのアクセル開度信号を受ける。さらに、エンジン制御器１００には、変速機の出力軸の回転速度を検出する車速センサ７６からの車速信号が入力される。加えて、シリンダブロック１２には、当該シリンダブロック１２の振動を電圧信号に変換して出力する加速度センサからなるノックセンサ７７が取り付けられており、その出力信号もエンジン制御器１００に入力される。

エンジン制御器１００は前記のような入力に基づいて、以下のようなエンジン１の制御パラメータを計算する。例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等である。そしてエンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル・アクチュエータ５８、燃料供給システム５４、点火システム５２、並びに、吸気及び排気バルブタイミング可変機構３２、４２等に出力する。エンジン制御器１００はまた、エンジン１の始動時には、スタータモータ２０に駆動信号を出力する。

ここで、ＦＦＶ用のエンジンシステムに特有の構成として、エンジン制御器１００は、リニアＯ_２センサ７９の検知結果に基づいて、燃料噴射弁５３が噴射する燃料のエタノール濃度を推定する。エタノールの理論空燃比（９．０）は、ガソリンの理論空燃比（１４．７）よりも小さく、燃料のエタノール濃度が高いほど理論空燃比はリッチ側になることから、理論空燃比でエンジンを運転している条件下において、排気ガス中に燃え残りの酸素が存在しているときには、燃料のエタノール濃度が予想よりも高かったと判断することができる。エンジン制御器１００は、このことを利用して、リニアＯ_２センサ７９が検知した排気ガス中の酸素濃度に基づき燃料のエタノール濃度を推定する。尚、燃料のエタノール濃度を推定する代わりに、燃料のエタノール濃度を検出するセンサを設けてもよい。

エンジン制御器１００はさらに、リニアＯ_２センサ７９の検知結果に基づいて、気筒１１内に供給した燃料の気化率を算出する。気化率は、気筒１１内に供給する燃料量（言い換えると、燃料噴射弁５３が噴射した燃料量）に対する、燃焼に寄与した燃料量の重量比によって定義される。エンジン制御器１００は、混合気の空燃比と、リニアＯ_２センサ７９の検出値とに基づいて燃焼に寄与した燃料量の重量を算出し、算出した燃料重量と、燃料噴射弁５３の燃料噴射量とから気化率を算出する。

このエンジンシステムは、前述の通りＦＦＶに搭載されたシステムであり、エンジン１には、Ｅ２５〜Ｅ１００までの任意の混合比のアルコール含有燃料が供給される。ここで、図２は、ガソリンの気化特性とエタノールの気化特性とを比較する図である。尚、図２は、１気圧下における温度変化に対する、ガソリン及びエタノールそれぞれの蒸留量（％）の変化を示している。ガソリンは多成分燃料であることから、各成分の沸点に応じて蒸発する。ガソリンの蒸留量は、温度変化に対しおおよそ線形的に変化することなる。つまり、ガソリンは、エンジン１の温度状態が比較的低いときにも気化して、可燃混合気を形成することが可能である。

これに対しエタノールは単一成分燃料であることから、特定温度（つまり、エタノールの沸点である７８℃）以下では、蒸留量が０％になる一方で、特定温度を超えると、蒸留量が１００％になる。このように、ガソリンとエタノールとを比較すると、特定温度以下では、エタノールの蒸留量の方がガソリンの蒸留量よりも低くなる一方で、特定温度を超えると、エタノールの蒸留量の方がガソリンの蒸留量よりも高くなる。そのため、エンジン１の温度状態が所定温度以下（例えば水温が２０℃以下程度）の冷間状態では、エタノールを含有する燃料は、ガソリンと比較して気化率が低くなる。そうして、エンジン１が冷間状態にあるときには、エンジン１の温度状態が低いほど、また燃料のエタノール濃度が高いほど、燃料の気化率は低下することになる。

このように、エンジン１の温度状態や、燃料のエタノール濃度によって燃料の気化率が変化することから、エンジン制御器１００は、目標となる気化燃料量が得られるように、エンジン負荷等に応じて設定されるベースの燃料量に対し、燃料の気化率に応じて燃料量の増量補正を行う。すなわち、燃料の気化率が低いほど、燃料噴射弁５３が噴射する燃料量は増量する。

また、エンジン制御器１００は、特に部分負荷の運転領域においては、エンジン１の温度に応じてエンジン１の有効圧縮比を調整している。エンジン制御器１００は、エンジン水温に基づいてエンジン１の温度を判定している。図３は、エンジン水温に対する吸気弁２１の閉弁時期の関係を示す図である。エンジン制御器１００は、吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点よりも遅いタイミングに設定しており、エンジン水温が低いほど、即ち、エンジン１の温度が低いほど、吸気弁２１の閉弁時期を進角させている。より詳しくは、エンジン制御器１００は、エンジン水温が低くなるにつれて、吸気弁２１の閉弁時期を階段状に進角させている。吸気弁２１の閉弁時期を進角させることによって、有効圧縮比が高くなり、圧縮行程中の気筒１１内の圧力及び温度が高くなる。前述の如く、エンジン１の温度が低いほど、エタノールの気化率が低下し、燃焼安定性が悪化する。それに対し、エンジン水温が低いほど、即ち、エンジン１の温度が低いほど、有効圧縮比を高くすることによって、燃焼安定性を向上させることができる。それに加えて、有効圧縮比を高くすることによって気筒１１内の温度が高くなるので、エタノールの気化を促進することができる。この点においても、燃焼安定性を向上させることができる。一方、エンジン水温が高いときには、吸気弁２１の閉弁時期が比較的遅くに設定され、有効圧縮比が低くなっている。部分負荷の運転領域においては、あまり大きな出力が要求されないため有効圧縮比を低くすることができ、それによってポンプ損失を低減して燃費の向上を図っている。

それに加えて、エンジン制御器１００は、クランク室１２ａで蒸発してＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａに流入するエタノールの量に応じて、エンジン１の有効圧縮比を調整している。

詳しくは、冷間時のように気化率が低い条件下では、一部のエタノールは、気化せずに液体の状態のまま燃焼室１７に存在する。液体のエタノールは燃焼し難いので、液体のエタノールの多くは未燃のまま燃焼室１７に残留する。残留したエタノールは、クランク室１２ａ内に滴下し、オイルパン２３のエンジンオイルに混入する。エンジンオイルの温度が比較的低いときには、エタノールの温度も沸点に達していないので、液体のままエンジンオイル中に存在する。しかし、エンジン１の運転に従ってエンジンオイルの温度が上昇し、エタノールの温度が沸点に達すると、該エタノールは一気に蒸発する。この蒸発したエタノール（以下、「蒸発エタノール」ともいう）は、周りのエンジンオイルを微粒化した状態で含有することになる。蒸発エタノールは、ブローバイガスとしてクランク室１２ａからＰＣＶホース５９を介して流出し、サージタンク５５ａに流入する。その後、エタノールは、吸気マニホールド５５を介して燃焼室１７に供給される。こうして、蒸発エタノールを介して、微粒化したエンジンオイルが燃焼室１７に導入される。エンジンオイルは燃焼安定性の観点からは好ましくないので、エンジンオイルの量が多くなるほど燃焼安定性が悪化する。燃焼室１７へ導入されるエンジンオイルは、ＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａに流入する蒸発エタノールが多くなるほど、多くなる。

それに対し、エンジン制御器１００は、ＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａに流入する蒸発エタノールが多くなるほど、エンジン１の有効圧縮比を高くしている。具体的には、エンジン制御器１００は、ＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａに流入する蒸発エタノールの量が所定値以上となると、エンジン１の有効圧縮比を高くしている。エンジン制御器１００は、リニアＯ_２センサ７９からの酸素濃度に基づいてＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａに流入する蒸発エタノールの量が所定値以上か否かを判定している。つまり、エンジン制御器１００は、出力要求に応じた空気量、空燃比、燃料量でエンジン１を運転している。その状態で、クランク室１２ａの蒸発エタノールが燃焼室１７に導入されると、燃焼室１７内の燃料量は所望の燃料量よりも多くなり、燃焼室１７内は酸素不足となる。その結果、リニアＯ_２センサ７９は、空燃比がリッチ側にあること、即ち、酸素濃度が不足であることを示す出力値を出力する。エンジン制御器１００は、酸素濃度の不足率が所定値以上になると、エンジン１の有効圧縮比を高くしている。

図４に、エンジンの運転サイクルに対する酸素濃度の不足率の変化を示す。ここで、酸素濃度の不足率とは、理論空燃比を実現する酸素濃度に対して不足している酸素濃度の比率である。例えば、オイルパン２３にエタノールが混入した状態からエンジン１の運転を開始したとすると、図４に示すように、エンジンオイルの温度が上昇するまでの間は、エンジンオイル中のエタノールはあまり蒸発しないので、酸素濃度は目標値に近い値となっている。エンジン１の運転がしばらく続いてエンジンオイルが上昇すると、エタノールの蒸発が始まり、蒸発エタノールがＰＣＶホース５９、サージタンク５５ａ及び吸気経路５５ｂを介して燃焼室１７に導入される。その結果、酸素濃度が不足するようになる。そして、蒸発エタノールの増加に伴い、酸素濃度の不足率も徐々に大きくなる。エンジンオイル内のエタノールが全て蒸発すると、燃焼室１７へ導入される蒸発エタノールの量も徐々に減少し、酸素濃度の不足率も徐々に小さくなる。やがて、酸素濃度は目標値に一致する。

ここで、エンジン制御器１００は、酸素濃度の不足率が所定値以上となると、吸気弁２１の閉弁時期を進角させて、有効圧縮比を高くしている。酸素濃度の不足率が大きいことは、蒸発エタノールが多いことを表している。つまり、エンジン制御器１００は、図５に示すように、エタノール蒸発量に応じて有効圧縮比を調整している。具体的には、エンジン制御器１００は、エタノール蒸発量が所定値以上となると、有効圧縮比を高くしている。エタノールが蒸発するのはエンジン１の温度が高いときなので、図１で見れば、エンジン水温が高い、吸気弁２１の閉弁時期が最も遅く設定された領域において吸気弁２１の閉弁時期が進角側に調整されることになる（図１の破線参照）。尚、エンジン制御器１００は、酸素濃度の不足率が所定値未満となると、吸気弁２１の閉弁時期を遅角側に調整して、有効圧縮比を低くしている。

蒸発エタノールは、エンジンオイルを含んでいるため、燃焼室１７の蒸発エタノールの量が増えることは、燃焼室１７のエンジンオイルの量が増えることを意味し、ひいては、燃焼安定性が悪化することを意味する。それに対し、燃焼室１７に導入される蒸発エタノールの量が多いときには有効圧縮比が高く設定されるため、エンジンオイルの増加に起因する燃焼安定性の悪化を抑制することができる。

一方、燃焼室１７に導入される蒸発エタノールの量が少ないときには、燃焼室１７へのエンジンオイルの導入も少ないので、有効圧縮比を低減することによって、ポンプ損失を低減して燃費の向上を図ることができる。

したがって、前記実施形態によれば、エンジン１は、特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率の低い特殊燃料、具体的にはエタノールを含む燃料が供給されるように構成されている。エンジン１は、クランク室１２ａに連通し、エンジンオイルを貯留するオイル貯留部２３ａと、前記クランク室１２ａのブローバイガスをサージタンク５５ａへ導くＰＣＶホース５９と、エンジン１の運転を制御するエンジン制御器１００とを備えている。エンジン制御器１００は、前記オイル貯留部２３ａにおいて蒸発し、前記ＰＣＶホース５９を介して前記サージタンク５５ａへ流入するエタノールが多いときには、前記ＰＣＶホース５９を介して前記サージタンク５５ａへ流入するエタノールが少ないときに比べて、前記エンジン１の有効圧縮比を高くする。

この構成によれば、燃焼室１７内に未燃で且つ液体の状態のまま残留したエタノールは、クランク室１２ａに滴下し、オイル貯留部２３ａのエンジンオイルに混入する。エンジンオイルに混入したエタノールは、温度が上昇すると蒸発し、クランク室２１内に充満する。エタノールは、蒸発する際に周りのエンジンオイルを微粒化した状態で含有することになる。クランク室１２ａ内の蒸発エタノールは、ブローバイガスとしてＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａへ流入する。その後、蒸発エタノールは、吸気経路５５ｂを介して燃焼室１７へ導入される。そして、燃焼室１７へ導入される蒸発エタノールが多いということは、微粒化したエンジンオイルが燃焼室１７へたくさん導入されるということなので、そのようなときには、エンジン１の有効圧縮比が高くされる。微粒化したエンジンオイルが多いという燃焼安定性に不利な運転条件下であっても、有効圧縮比を高めることによって、燃焼安定性の悪化を抑制することができる。

一方、燃焼室１７へ導入される蒸発エタノールが少ないときには、燃焼室１７へ導入されるエンジンオイルも少ないので、有効圧縮比を低下させても燃焼安定性に与える影響は小さい。さらに、部分負荷の運転領域においては、要求出力が小さいので、有効圧縮比を下げても問題がない。むしろ、有効圧縮比を下げることによって、ポンプ損失を低減して燃費を向上させることができる。

また、エンジン１は、吸気ポート１８を開閉する吸気弁２１をさらに備え、前記エンジン制御器１００は、所定負荷以下の部分負荷時において前記吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点よりも遅い時期に設定しており、前記ＰＣＶホース５９を介して前記サージタンク５５ａへ流入するエタノールが多いときには、前記ＰＣＶホース５９を介して前記サージタンク５５ａへ流入するエタノールが少ないときに比べて、前記吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点に近づける。

つまり、前述の有効圧縮比を高めることは、吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点に近づけることにより実現される。

吸気弁２１の閉弁時期を進角させることは、エンジン１の有効圧縮比をクランクロッドやコンロッドの構成により機械的に変更する構成に比べて、有効圧縮比を容易に且つ高い応答性で調整することができる。

また、吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点よりも後ろの領域で調整することによって、高回転の運転領域であっても適切な運転を実現しつつ、有効圧縮比を調整することができる。つまり、吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点よりも早い側に設定すると、吸気弁２１が開かれている期間が短くなり、吸気慣性の影響が大きい高回転の運転領域では、吸気を十分に充填することが難しくなる。それに比べて、吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点よりも後ろの領域で調整する場合には、吸気弁２１が開いている期間を長くすることができ、吸気を吸い込む期間を確保することができる。

このように、燃焼室１７へ導入される蒸発エタノールが多いときには、吸気弁２１の閉弁時期を進角させて燃焼安定性を向上させることができると共に、燃焼室１７へ導入される蒸発エタノールが少ないときには、吸気弁２１の閉弁時期を遅閉じにして燃費の向上を図ることができる。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

前記の構成はＦＦＶとしているが、ここに開示する技術は、ＦＦＶでなくても、アルコールを含有する燃料が供給されるエンジンを搭載する車両に広く適用することが可能である。

前記実施形態では、特殊燃料としてエタノールを用いた例を説明したが、特殊燃料はそれ以外の物質であってもよい。例えば、特殊燃料は、メタノール等のアルコール、食用油や産業油等の油であってもよい。また、特殊燃料と混合される燃料は、ガソリンに限られない。

前記実施形態では、リニアＯ_２センサ７９からの酸素濃度に基づいてＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａに流入する蒸発エタノールの量が所定値以上か否かを判定している。しかし、ＰＣＶホース５９を介して流入する蒸発エタノールの量の判定は、リニアＯ_２センサ７９からの酸素濃度に基づくものに限られない。

前記実施形態では、酸素濃度の不足率が所定値以上になると、即ち、ＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａに流入する蒸発エタノールの量が所定値以上になると、エンジン１の有効圧縮比を一律に所定値まで高めている。しかし、これに限らず、ＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａに流入する蒸発エタノールの量に応じて、エンジン１の有効圧縮比を変化させてもよい。すなわち、ＰＣＶホース５９を介してサージタンク５５ａに流入する蒸発エタノールの量が多くなるほど、エンジン１の有効圧縮比を高く、即ち、遅閉じに設定された吸気弁２１の閉弁時期の進角量を大きくしてもよい。

以上説明したように、ここに開示された技術は、特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率が低い特殊燃料が供給されるエンジンについて有用である。

１ エンジン（エンジン本体）
１２ａ クランク室
１８ 吸気ポート
２１ 吸気弁
２３ａ オイル貯留部（貯留部）
５５ａ サージタンク（吸気通路）
５９ ＰＣＶホース（ブローバイ通路）
１００ エンジン制御器（制御部）

Claims (2)

1. 特定温度以下の状態下でガソリンよりも気化率の低い特殊燃料を含む燃料が供給されるように構成されたエンジン本体と、
   前記エンジン本体のクランク室と連通し、エンジンオイルを貯留する貯留部と、
   前記クランク室のブローバイガスを前記エンジン本体に設けられた吸気通路へ導くブローバイ通路と、
   前記エンジン本体の運転を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記貯留部において前記エンジンオイル中に混入していた前記特殊燃料が蒸発することによって、前記ブローバイ通路を介して前記吸気通路へ流入する前記特殊燃料が所定量以上になったことを判定したときには、前記ブローバイ通路を介して前記吸気通路へ流入する前記特殊燃料が所定量未満のときに比べて、前記エンジン本体の有効圧縮比を高くする火花点火式エンジン。
2. 請求項１に記載の火花点火式エンジンにおいて、
   前記エンジン本体に設けられた吸気ポートを開閉する吸気弁をさらに備え、
   前記制御部は、所定負荷以下の部分負荷時において前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅い時期に設定しており、前記ブローバイ通路を介して前記吸気通路へ流入する前記特殊燃料が所定量以上になったことを判定したときには、前記ブローバイ通路を介して前記吸気通路へ流入する前記特殊燃料が所定量未満のときに比べて、前記吸気弁の閉弁時期を吸気下死点に近づける火花点火式エンジン。

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