火花点火式成層燃焼内燃機関

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【発明の名称】	火花点火式成層燃焼内燃機関
【発明者】	【氏名】植田貴宣【氏名】奥村猛【氏名】古野志健男【氏名】井口哲【氏名】秋浜一弘【氏名】瀧昌弘【氏名】山崎哲
【要約】	【課題】予混合気の一部を自着火燃焼せしめる。【解決手段】燃焼室５内に燃料噴射弁６と点火栓７を配置する。燃焼室５内に自着火可能な予混合気を成層化して形成することにより燃焼室５内における予混合気の濃度に空間分布をもたせる。燃焼室５内に形成された一部の予混合気を点火栓７により着火して火炎伝播燃焼を行わせた後に残りの予混合気を時間差をもって順次自着火燃焼せしめる。自着火燃焼せしめられる予混合気の割合が予め定められた下限値以上であってノッキング発生限界以下となるように点火時期を設定する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】燃焼室内に点火栓を配置した火花点火式成層燃焼内燃機関において、燃焼室内に自着火可能な予混合気を成層化して形成することにより燃焼室内における予混合気の濃度に空間分布をもたせ、燃焼室内に形成された一部の予混合気を点火栓により着火して火炎伝播燃焼を行わせた後に残りの予混合気を時間差をもって順次自着火燃焼せしめ、自着火燃焼せしめられる予混合気の割合が予め定められた下限値以上であってノッキング発生限界以下となるように点火時期を設定した火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項２】燃焼室内に燃料噴射弁を配置し、燃料噴射弁から少くとも圧縮行程末期に低オクタン燃料を噴射することによって燃焼室内に自着火可能な予混合気を成層化して形成すると共に燃焼室内における予混合気の濃度に空間分布をもたせるようにした請求項１に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項３】上記下限値がほぼ２０パーセントである請求項１に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項４】火炎伝播燃焼が行われないときには自着火せず、火炎伝播燃焼が行われたときに火炎伝播燃焼による燃焼室内の圧力および温度上昇に誘起されて自着火燃焼が生ずる請求項１に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項５】燃焼室内に供給される燃料のオクタン価を機関の運転状態に応じて変化させるようにした請求項１に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項６】燃焼室内に燃料噴射弁を配置し、一部の予混合気を自着火燃焼させるべきときには燃料噴射弁から少くとも圧縮行程末期に低オクタン燃料を噴射することによって燃焼室内に自着火可能な予混合気を成層化して形成すると共に燃焼室内における予混合気の濃度に空間分布をもたせ、予混合気を自着火燃焼させるべきでないときには燃料噴射弁から高オクタン燃料を噴射するようにした請求項５に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項７】予混合気を自着火燃焼すべきでないときには燃料噴射弁から噴射された高オクタン燃料により均質予混合気を形成するようにした請求項６に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項８】機関の運転領域を低負荷側の運転領域と高負荷側の運転領域に分割し、機関の運転状態が低負荷側の運転領域にあるときには一部の予混合気を自着火燃焼させるべきであると判断され、機関の運転状態が高負荷側の運転領域にあるときには予混合気を自着火燃焼させるべきでないと判断される請求項６に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項９】機関の要求トルクが高くなるほど上記低オクタン燃料のオクタン価が高くされる請求項５に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項１０】低オクタン燃料と高オクタン燃料の混合割合を変化させることによって燃焼室内に供給される燃料のオクタン価を変化させるようにした請求項５に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項１１】車両上において一つの燃料から高オクタン価の燃料と低オクタン価の燃料を製造する製造手段を具備した請求項５に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項１２】燃焼室内における予混合気の濃度に空間分布をもたせるのと同時に燃焼室内における予混合気のオクタン価にも空間分布をもたせるようにした請求項１に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項１３】燃焼室内に低オクタン燃料からなる均質予混合気を形成すると共に燃焼室内の点火栓周りに高オクタン燃料からなる予混合気を形成するようにした請求項１２に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項１４】燃焼室内に第１の燃料噴射弁を配置すると共に吸入空気内に燃料を供給するための第２の燃料噴射弁を具備し、第２の燃料噴射弁から低オクタン燃料を噴射することにより燃焼室内に低オクタン燃料からなる均質予混合気を形成し、第１の燃料噴射弁から圧縮行程末期に噴射された高オクタン燃料によって点火栓周りに高オクタン燃料からなる予混合気を形成するようにした請求項１３に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項１５】排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、第２の燃料噴射弁から再循環すべき排気ガス中に低オクタン燃料を噴射するようにした請求項１４に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項１６】一部の混合気を自着火燃焼させるべきときには燃焼室内に低オクタン燃料からなる均質予混合気を形成すると共に燃焼室内の点火栓周りに高オクタン燃料からなる予混合気を形成し、予混合気を自着火燃焼させるべきでないときには燃焼室内に高オクタン燃料からなる予混合気を形成するようにした請求項１３に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。
【請求項１７】予混合気を自着火燃焼させるべきでないときには燃焼室内に高オクタン燃料からなる均質予混合気を形成するようにした請求項１６に記載の火花点火式成層燃焼内燃機関。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は火花点火式成層燃焼内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼル機関において燃料噴射を行うと一部の燃料はただちに蒸発して予混合気を形成し、残りの燃料は燃料液滴の形で燃焼室内に分散せしめられる。次いで予混合気が自着火せしめられ、これが熱源となって燃料液滴から蒸発する燃料が順次燃焼せしめられる。即ち、拡散燃焼が行われる。この場合、予混合気の割合が多くなると爆発的な燃焼が生ずるために燃焼温が急激に上昇し、斯くして多量のＮＯ_xが発生することになる。
【０００３】そこで燃焼室内に燃焼圧センサと点火栓とを配置し、検出された燃焼圧から予混合気の割合を求め、予混合気の割合が最適値よりも多くなった場合には点火時期を早めて予混合気の生成量が過度に増大する前に点火栓により予混合気を着火せしめ、点火栓による着火時の予混合気の割合が最適値よりも少なくなった場合には点火時期を遅らせて予混合気の生成量が適度な量まで増大したときに予混合気を点火栓により着火せしめるようにしたディーゼル機関が公知である（実開平２－１４１６４８号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一方、火花点火式内燃機関においても燃焼室内の圧力および温度が極度に高くなると自着火を生ずる。しかしながら火花点火式内燃機関において自着火を生じると予混合気全体が一気に燃焼するために燃焼室内の圧力および温度が急激に上昇し、その結果ノッキングが発生するばかりでなく多量のＮＯ_xが発生する。従って従来より火花点火式内燃機関ではできる限り自着火を生じないようにしており、点火栓による着火火炎によって混合気を燃焼せしめるようにしている。
【０００５】ところで自着火を生じると上述の如くノッキングが発生し、多量のＮＯ_xが発生する。ところが自着火による燃焼は短かい時間で燃焼が完結し、従って自着火燃焼を生じさせると熱効率が向上する。従ってノッキングおよび多量のＮＯ_xを発生させることなく自着火燃焼を生じさせることができれば熱効率の高い実用性のある内燃機関を得ることができる。
【０００６】ところで自着火燃焼が生じたときにノッキングおよび多量のＮＯ_xが発生するか否かは自着火燃焼せしめられる予混合気の量と燃焼時間に依存している。即ち、予混合気全体が一気に燃焼せしめられると前述したようにノッキングおよび多量のＮＯ_xが発生する。しかしながら予混合気全体ではなく一部の予混合気のみを自着火燃焼させ、しかも時間差をもって予混合気を少しずつ自着火燃焼させれば燃焼室内の圧力および温度はさほど高くならず、斯くしてノッキングおよび多量のＮＯ_xが発生することがなくなる。ただし、この場合自着火燃焼する予混合気量が少すぎると熱効率の向上は期待できず、従って自着火燃焼させるべき予混合気量には下限値が存在する。
【０００７】即ち、ノッキングおよび多量のＮＯ_xの発生を阻止しつつ熱効率を向上させるには自着火燃焼する予混合気の割合を最適な範囲内に維持し、しかも時間差をもって予混合気が順次自着火燃焼を生ずるようにする必要がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】そこで１番目の発明では、燃焼室内に点火栓を配置した火花点火式成層燃焼内燃機関において、燃焼室内に自着火可能な予混合気を成層化して形成することにより燃焼室内における予混合気の濃度に空間分布をもたせ、燃焼室内に形成された一部の予混合気を点火栓により着火して火炎伝播燃焼を行わせた後に残りの予混合気を時間差をもって順次自着火燃焼せしめ、自着火燃焼せしめられる予混合気の割合が予め定められた下限値以上であってノッキング発生限界以下となるように点火時期を設定している。
【０００９】２番目の発明では１番目の発明において、燃焼室内に燃料噴射弁を配置し、燃料噴射弁から少くとも圧縮行程末期に低オクタン燃料を噴射することによって燃焼室内に自着火可能な予混合気を成層化して形成すると共に燃焼室内における予混合気の濃度に空間分布をもたせるようにしている。３番目の発明では１番目の発明において、上述の下限値がほぼ２０パーセントである。
【００１０】４番目の発明では１番目の発明において、火炎伝播燃焼が行われないときには自着火せず、火炎伝播燃焼が行われたときに火炎伝播燃焼による燃焼室内の圧力および温度上昇に誘起されて自着火燃焼が生ずる。５番目の発明では１番目の発明において、燃焼室内に供給される燃料のオクタン価を機関の運転状態に応じて変化させるようにしている。
【００１１】６番目の発明では５番目の発明において、燃焼室内に燃料噴射弁を配置し、一部の予混合気を自着火燃焼させるべきときには燃料噴射弁から少くとも圧縮行程末期に低オクタン燃料を噴射することによって燃焼室内に自着火可能な予混合気を成層化して形成すると共に燃焼室内における予混合気の濃度に空間分布をもたせ、予混合気を自着火燃焼させるべきでないときには燃料噴射弁から高オクタン燃料を噴射するようにしている。
【００１２】７番目の発明では６番目の発明において、予混合気を自着火燃焼すべきでないときには燃料噴射弁から噴射された高オクタン燃料により均質予混合気を形成するようにしている。８番目の発明では６番目の発明において、機関の運転領域を低負荷側の運転領域と高負荷側の運転領域に分割し、機関の運転状態が低負荷側の運転領域にあるときには一部の予混合気を自着火燃焼させるべきであると判断され、機関の運転状態が高負荷側の運転領域にあるときには予混合気を自着火燃焼させるべきでないと判断される。
【００１３】９番目の発明では５番目の発明において、機関の要求トルクが高くなるほど低オクタン燃料のオクタン価が高くされる。１０番目の発明では５番目の発明において、低オクタン燃料と高オクタン燃料の混合割合を変化させることによって燃焼室内に供給される燃料のオクタン価を変化させるようにしている。
【００１４】１１番目の発明では５番目の発明において、車両上において一つの燃料から高オクタン価の燃料と低オクタン価の燃料を製造する製造手段を具備している。１２番目の発明では１番目の発明において、燃焼室内における予混合気の濃度に空間分布をもたせるのと同時に燃焼室内における予混合気のオクタン価にも空間分布をもたせるようにしている。
【００１５】１３番目の発明では１２番目の発明において、燃焼室内に低オクタン燃料からなる均質予混合気を形成すると共に燃焼室内の点火栓周りに高オクタン燃料からなる予混合気を形成するようにしている。１４番目の発明では１３番目の発明において、燃焼室内に第１の燃料噴射弁を配置すると共に吸入空気内に燃料を供給するための第２の燃料噴射弁を具備し、第２の燃料噴射弁から低オクタン燃料を噴射することにより燃焼室内に低オクタン燃料からなる均質予混合気を形成し、第１の燃料噴射弁から圧縮行程末期に噴射された高オクタン燃料によって点火栓周りに高オクタン燃料からなる予混合気を形成するようにしている。
【００１６】１５番目の発明では１４番目の発明において、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、第２の燃料噴射弁から再循環すべき排気ガス中に低オクタン燃料を噴射するようにしている。１６番目の発明では１３番目の発明において、一部の混合気を自着火燃焼させるべきときには燃焼室内に低オクタン燃料からなる均質予混合気を形成すると共に燃焼室内の点火栓周りに高オクタン燃料からなる予混合気を形成し、予混合気を自着火燃焼させるべきでないときには燃焼室内に高オクタン燃料からなる予混合気を形成するようにしている。
【００１７】１７番目の発明では１６番目の発明において、予混合気を自着火燃焼させるべきでないときには燃焼室内に高オクタン燃料からなる均質予混合気を形成するようにしている。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１および図２は本発明を成層燃焼内燃機関に適用した場合を示している。図１を参照すると、機関本体１は４つの気筒を具備しており、図２はこれら気筒の側面断面図を示している。図２を参照すると、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は燃焼室、６はシリンダヘッド３の内壁面周縁部に配置された燃料噴射弁、７はシリンダヘッド３の内壁面中央部に配置された点火栓、８は吸気弁、９は吸気ポート、１０は排気弁、１１は排気ポートを夫々示す。
【００１９】図１および図２を参照すると、吸気ポート９は対応する吸気枝管１２を介してサージタンク１３に連結され、サージタンク１３は吸気ダクト１４およびエアフローメータ１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ダクト１４内にはステップモータ１７により駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート１１は排気マニホルド１９を介して排気管２０に連結される。また、排気マニホルド１９とサージタンク１３とは排気ガス再循環（以下ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。
【００２０】各燃料噴射弁６は夫々対応する燃料供給制御弁２３に連結され、各燃料供給制御弁２３は夫々一対の燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２４，２５に連結される。コモンレール２４内へは燃料タンク２６内の低オクタン燃料が電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７を介して供給され、コモンレール２４内に供給された低オクタン燃料が各燃料供給制御弁２３に供給される。コモンレール２４にはコモンレール２４内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２４内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００２１】一方、コモンレール２５内へは燃料タンク２９内の高オクタン燃料が電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３０を介して供給され、コモンレール２５内に供給された高オクタン燃料が各燃料供給制御弁２３に供給される。コモンレール２５にはコモンレール２５内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３１が取付けられ、燃料圧センサ３１の出力信号に基づいてコモンレール２５内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３０の吐出量が制御される。
【００２２】各燃料供給制御弁２３は低オクタン燃料又は高オクタン燃料のいずれか一方を選択的に対応する燃料噴射弁６に供給する機能、および低オクタン燃料と高オクタン燃料を要求混合割合に従い混合して混合された燃料を対応する燃料噴射弁６に供給する機能を有している。電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。エアフローメータ１５は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。排気管２０には空燃比センサ３２が取付けられ、この空燃比センサ３２の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５には各燃料圧センサ２８，３１の出力信号が夫々対応するＡＤ変換器４７を介して入力される。
【００２３】また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、点火栓７、スロットル弁制御用ステップモータ１７、ＥＧＲ制御弁２２、燃料供給制御弁２３および燃料ポンプ２７，３０に接続される。
【００２４】図３は燃料噴射量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ（＝Ｑ₁＋Ｑ₂）、噴射開始時期θＳ１，θＳ２、噴射完了時期θＥ１，θＥ２および燃焼室５内における平均空燃比Ａ／Ｆを示している。なお、図３において横軸Ｌは要求トルクを示している。図３からわかるように要求トルクＬがＬ₁よりも低いときには圧縮行程末期のθＳ２からθＥ２の間において燃料噴射Ｑ２が行われる。このときには平均空燃比Ａ／Ｆはかなりリーンとなっている。要求トルクＬがＬ₁とＬ₂の間のときには吸気行程初期のθＳ１からθＥ１の間において第１回目の燃料噴射Ｑ１が行われ、次いで圧縮行程末期のθＳ２からθＥ２の間において第２回目の燃料噴射Ｑ２が行われる。このときにも空燃比Ａ／Ｆはリーンとなっている。要求トルクＬがＬ₂よりも大きいときには吸気行程初期のθＳ１からθＥ１の間において燃料噴射Ｑ１が行われる。このときには要求トルクＬが低い領域では平均空燃比Ａ／Ｆがリーンとされており、要求トルクＬが高くなると平均空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比とされ、要求トルクＬが更に高くなると平均空燃比Ａ／Ｆがリッチとされる。
【００２５】図２は要求トルクＬがＬ₁（図３）よりも小さいとき、即ち圧縮行程末期においてのみ燃料噴射Ｑ２が行われる場合を示している。図２に示されるようにピストン４の頂面上にはキャビティ４ａが形成されており、要求トルクＬがＬ₁よりも低いときには燃料噴射弁６からキャビティ４ａの底壁面に向けて圧縮行程末期に燃料が噴射される。この燃料はキャビティ４ａの周壁面により案内されて点火栓７に向かい、それによって点火栓７の周りに予混合気Ｇが形成される。次いでこの予混合気Ｇは点火栓７により着火せしめられる。即ち、このときには成層燃焼が行われる。
【００２６】一方、前述したように要求トルクＬがＬ₁とＬ₂との間にあるときには二回に分けて燃料噴射が行われる。この場合、吸気行程初期に行われる第１回目の燃料噴射Ｑ１によって燃焼室５内に稀薄混合気が形成される。次いで圧縮行程末期に行われる第２回目の燃料噴射Ｑ２によって点火栓７周りに最適な濃度の予混合気が形成される。この予混合気が点火栓７により着火せしめられ、この着火火炎によって稀薄混合気が燃焼せしめられる。従ってこのときにも成層燃焼が行われる。
【００２７】一方、要求トルクＬがＬ₂よりも大きいときには図３に示されるように燃焼室５内にはリーン又は理論空燃比又はリッチ空燃比の均質混合気が形成され、この均質混合気が点火栓７により着火せしめられる。即ちこのときには均質燃焼が行われる。なお、成層燃焼が行われる運転領域および均質燃焼が行われる運転領域は要求トルクＬのみにより定まるのではなく、実際には図４に示されるように要求トルクＬと機関回転数Ｎにより定まる。
【００２８】次に本発明による自着火燃焼方法について説明する。本発明による第１実施例では成層燃焼が行われる運転領域のときに燃料噴射弁６から低オクタン燃料が噴射され、このとき燃焼室５内に形成された一部の予混合気が点火栓７により着火せしめられて火炎伝播燃焼が行われ、次いで残りの予混合気が自着火燃焼せしめられるように燃料噴射時期および点火時期が設定される。
【００２９】なお、本発明において低オクタン燃料というのはＪＩＳＫ２２０２の規定によるレギュラーガソリン（２号）のオクタン価の下限値８９よりも低いオクタン価の燃料を示しており、本発明において高オクタン燃料というのはＪＩＳＫ２２０２の規定によるオクタン価８９以上の燃料であって、例えばプレミアムガソリン（１号）およびレギュラーガソリン（２号）を示している。また、以下に述べる本発明による実施例において低オクタン燃料と言うときは特別に言及しない限りオクタン価が５０以下の燃料を意味している。
【００３０】図５（Ａ）は本発明による方法によって自着火燃焼が行われているときの熱発生率ｄＱ／ｄθを示している。なお、図５（Ａ）においてＩｇは点火時期を示している。図５（Ａ）に示されるようにＩｇにおいて点火栓７による点火が行われると圧縮上死点ＴＤＣ付近までは熱発生率ｄＱ／ｄθが比較的ゆるやかに上昇し、この間は点火栓７により着火された低オクタン燃料からなる予混合気が火炎伝播燃焼している。次いで圧縮上死点ＴＤＣ付近に達すると熱発生率ｄＱ／ｄθが急速に上昇した後に急速に下降し、この間は低オクタン燃料からなる予混合気が自着火燃焼している。即ち、熱発生率ｄＱ／ｄθが急速に上昇しはじめたときが火炎伝播燃焼から自着火燃焼への移行時である。
【００３１】従って以下、図５（Ｂ）において点火時Ｉｇから熱発生率ｄＱ／ｄθが急速に上昇しはじめる時点Ｃｔまでに燃焼せしめられた予混合気の質量割合を火炎伝播燃焼割合と称し、Ｃｔ以後において自着火燃焼せしめられる予混合気の質量割合を自着火燃焼割合と称す。図６において実線は一部の予混合気を火炎伝播燃焼せしめた後に残りの予混合気を自着火燃焼せしめた場合の熱発生率ｄＱ／ｄθの変化を示しており、図６において破線は全予混合気を火炎伝播燃焼せしめた場合を示している。図６に示されるように一部の予混合気を自着火燃焼せしめると全予混合気を火炎伝播燃焼せしめた場合に比べて圧縮上死点ＴＤＣ後に熱発生率ｄＱ／ｄθが急速に低下し、燃焼が急速に完結する。
【００３２】火炎が伝播するには時間を要し、予混合気が稀薄になればなるほど火炎の伝播速度は遅くなる。従って全予混合気を火炎伝播燃焼せしめた場合には図６において破線で示されるように特に予混合気が稀薄な場合には燃焼期間が長くなる。燃焼期間が長くなると機関出力が低下するために燃料消費量が増大するばかりでなく、特に燃焼後期における燃焼が不安定となるためにトルク変動が発生する。また、燃焼室５内の周辺部へ分散した燃料へは稀薄すぎて火炎が伝播しないために多量の未燃ＨＣが発生し、このことはまた燃料消費量を一層増大させ、燃料消費率を悪化させることを意味している。
【００３３】しかしながら図６において実線で示されるように燃焼が急速に完結すると機関出力が向上するために燃料消費量が低減し、更に燃焼が安定するためにトルク変動量が極めて小さくなる。また、予混合気は稀薄であったとしても自着火燃焼が生じ、自己着火燃焼が生じなければ燃焼後期において燃焼せしめられるはずの予混合気が自着火燃焼が生じれば極めて短時間に燃焼せしめられるので未燃ＨＣの発生量は極めて少なくなる。このように自着火燃焼を生じさせると機関出力が増大すると共に燃料消費量が低減し、即ち熱効率が向上し、更にトルク変動が低減すると共に未燃ＨＣの発生量が極めて少くなるという大きな利点を有する。
【００３４】このように自着火燃焼は大きな利点を有しているが激しい自着火燃焼を生じさせると図７（Ａ）に示されるように熱発生率ｄＱ／ｄθのピークが大きくなってノッキング発生限界を越えてしまい、斯くしてノッキングが発生することになる。従って自着火燃焼を生じさせるにしても熱発生率ｄＱ／ｄθのピークがノッキング発生限度を越えないようにしなければならない。この場合、熱発生率ｄＱ／ｄθのピークがノッキング発生限界を越えるか否かは予混合気の自着火燃焼割合と予混合気の成層度合の双方によって決まり、特に予混合気の成層度合による影響が極めて大きい。
【００３５】即ち、燃料分子が加熱せしめられると水酸ラジカル等のラジカルが徐々に生成され、これらラジカルの量が一定量を越えると自着火が生じる。従って発生するラジカルの量が多ければただちに自着火を生じ、発生するラジカルの量が少ければ自着火を生ずるまでに時間を要する。このようにラジカルの発生量に応じて自着火の発生に時間差を生じ、従って以下燃料分子の熱分解が開始されてから自着火が生じるまでの時間を自着火遅れ時間と称する。
【００３６】図８（Ａ）は燃焼室５内の種々の温度８００℃、１０００℃、１２００℃に対する自着火遅れ時間τと予混合気の当量比ψとの関係の概略図を示しており、図８（Ｂ）は噴射燃料の種々のオクタン価０，５０，１００に対する自着火遅れ時間τと予混合気の当量比ψとの関係の概略図を示している。図８（Ａ），（Ｂ）から当量比ψが１．０のとき、即ち空気と燃料との比が理論空燃比になっているときに自着火遅れ時間τは最も短かくなり、当量比ψが小さくなっても、即ち空気過剰となっても、当量比ψが大きくなっても、即ち燃料過剰となっても自着火遅れ時間τが長くなる。即ち、空気過剰になると過剰な空気を温めるために余分な熱が使用され、燃料過剰になると過剰な燃料を温めるために余分な熱が使用され、従って当量比ψが１．０から離れれば離れるほど自着火遅れ時間τは長くなる。
【００３７】一方、燃料分子周りの温度が高ければ高いほど多量のラジカルが発生する。従って図８（Ａ）に示されるように燃焼室５内の温度が高くなるほど自着火遅れ時間τは短かくなる。また、燃料のオクタン価ＲＯＮが小さくなればなるほど多量のラジカルが発生するようになる。従って燃料のオクタン価ＲＯＮが小さくなるほど自着火遅れ時間τは短かくなる。
【００３８】さて、燃焼室５内に均質な予混合気が形成されると予混合気はどの部分においても当量比ψは全て等しくなり、従って予混合気はどの部分においても自着火遅れ時間τが全て等しくなる。ところが予混合気のどの部分においても自着火遅れ時間τが全て等しくなると燃焼室５内の圧力および温度が上昇したときに全予混合気が一気に自着火せしめられる。しかしながら全予混合気が一気に自着火燃焼せしめられると予混合気量が極めて少量の場合は別として燃焼室５内の圧力は急激に上昇し、斯くしてノッキングを発生することになる。
【００３９】これに対して本発明において成層燃焼が行われているときには図９に示されるように点火栓７の周りに可燃混合気Ｇが形成され、図９に示される例では燃焼室５内における予混合気の濃度Ｄは図９の曲線Ｄで示されるように燃焼室５の中心部において最も高くなり、燃焼室５の周辺部に向けて次第に低下する。即ち、予混合気の濃度Ｄに空間分布が生じることになる。この場合、点火栓７の周りにほぼ当量比ψが１の予混合気が形成されているとすると燃焼室５の周辺部に向けて予混合気の当量比ψが次第に小さくなる。
【００４０】このように予混合気の当量比ψが次第に小さくなると図８（Ａ），（Ｂ）からわかるように着火遅れ時間τが次第に長くなる。従って燃焼室５の中央部の予混合気が自着火すると次に時間差をもってその周囲の予混合気が自着火し、斯くして燃焼室５の中心部から周辺部に向けて予混合気が時間差をもって順次自着火する。このように予混合気が時間差をもって順次自着火すると燃焼室５内の圧力上昇が緩慢となるためにノッキングが発生しずらくなる。即ち、自着火燃焼を生じさせてノッキングが発生しないようにするためには予混合気を成層化することが必須の要件となる。この場合、成層化の度合、即ち燃焼室５内に分散した予混合気間の濃度差が大きくなるほどノッキングは生じずらくなる。
【００４１】なお、この場合重要なことは予混合気の濃度Ｄに空間分布を持たせることであり、従って予混合気の濃度Ｄに空間分布が生じる限り点火栓７周りにおける予混合気の濃度Ｄを最も高くする必要がなく、また最も濃度Ｄの高い予混合気の当量比ψを１とする必要もない。一方、予混合気の濃度差を大きくしても自着火燃焼せしめられる予混合気の絶対量が多くなるとノッキングを生じやすくなる。従って前述したように熱発生率ｄＱ／ｄθが図７（Ａ）に示されるようにノッキング発生限界を越えるか否かは予混合気の自着火燃焼割合と予混合気の成層度合の双方によって決定されることになる。
【００４２】一方、自着火燃焼割合を少くすると図７（Ｂ）に示されるように圧縮上死点ＴＤＣ後において熱発生率ｄＱ／ｄθがゆっくりと低下するようになる。即ち、燃焼期間が長くなる。燃焼期間が長くなると全予混合気を火炎伝播燃焼させたときと同様に熱効率が低下し、トルク変動が大きくなり、多量の未燃ＨＣが発生するようになる。この場合、熱効率を向上し、トルク変動を小さくしかつ未燃ＨＣの発生量を少なくするには少くとも予混合気の自着火燃焼割合をほぼ２０パーセント以上にする必要があることが実験により確かめられている。
【００４３】従って本発明では予混合気の自着火燃焼割合がほぼ２０パーセント以上でありかつノッキングが発生しない範囲内に制御される。この場合、火炎伝播燃焼が増大すれば自着火燃焼割合が減少し、火炎伝播燃焼割合は点火時期Ｉｇ（図５（Ａ））を早めるほど大きくなる。従って自着火燃焼割合は点火時期Ｉｇによって制御することができる。
【００４４】一方、熱効率の点からみると自着火燃焼は圧縮上死点ＴＤＣ付近、具体的に言うと圧縮上死点前ＢＴＤＣ５°程度から圧縮上死点後ＡＴＤＣ５°程度の間において開始させることが好ましい。斯くして本発明による実施例では自着火燃焼がほぼＢＴＤＣ５°とほぼＡＴＤＣ５°の間で開始し、かつ自着火燃焼割合がほぼ２０パーセント以上でかつノッキングが生じない自着火燃焼割合となるように点火時期Ｉｇが設定される。この点火時期Ｉｇは要求トルクおよび機関回転数に応じて変化し、本発明による実施例ではこの点火時期Ｉｇの最適値は予め実験により求められる。
【００４５】なお、自着火燃焼によって熱効率が向上し、トルク変動が小さくなり、かつ未燃ＨＣの発生量が低減するのは自着火燃焼させることによって燃焼が急速に完結するからであり、自着火燃焼せしめられる予混合気の絶対量にほとんど依存していない。従って自着火燃焼割合はそれほど大きくする必要がなく、例えば要求トルクおよび機関回転数に関係なく予混合気の自着火燃焼割合を２０パーセントから３０パーセント程度の間に維持することもできる。
【００４６】また、高オクタン燃料を用いると同一温度、同一圧力下では自着火しずらいので本発明では自着火燃焼すべきときには低オクタン燃料が使用される。低オクタン燃料を使用した場合に機関の圧縮比等の差異によって点火しなくても自着火を生ずる型式の機関もあり、点火しなければ自着火を生じない型式の機関も存在する。点火しなければ自着火を生じない型式の機関では火炎伝播燃焼による燃焼室５内の圧力および温度上昇に誘起されて自着火燃焼が生ずる。いずれの型式の機関を用いることができるが本発明による実施例では点火しなければ自着火を生じない型式の機関が用いられている。
【００４７】ノッキングが発生することなく自着火燃焼を生じさせるためには前述したように予混合気を成層化する必要がある。従って要求トルクおよび機関回転数にかかわらずに成層燃焼を行うことのできる機関を用いた場合には全運転領域に亘って火炎伝播燃焼後に自着火燃焼を生じさせることができる。本発明による実施例では図３および図４に示されるように要求トルクＬおよび機関回転数Ｎが高い領域では均質燃焼が行われており、均質燃料が行われるときに低オクタン燃料を用いるとノッキングが発生する。従って本発明による実施例では均質燃焼が行われる運転領域では高オクタン燃料が使用され、このときには火炎伝播燃焼のみが行われる。
【００４８】図１０は第１実施例の運転制御ルーチンを示している。図１０を参照するとまず初めにステップ１００において圧縮行程末期に一回燃料噴射を行う成層運転領域であるか否かが判別される。圧縮行程末期に一回燃料噴射を行う成層運転領域であるときにはステップ１０１に進んで低オクタン燃料が燃料噴射弁６に供給されるように燃料供給制御弁２３が切換えられる。次いでステップ１０２では噴射量Ｑ２が算出され、次いでステップ１０３では噴射開始時期θＳ２が算出される。次いでステップ１０４では噴射量Ｑ２、噴射開始時期θＳ２および機関回転数Ｎに基づいて噴射完了時期θＥ２が算出される。次いでステップ１０５では点火時期Ｉｇが算出される。
【００４９】一方、ステップ１００において圧縮行程末期に一回燃料噴射を行う成層運転領域でないと判別されたときにはステップ１０６に進んで吸気行程初期と圧縮行程末期の二回に分けて燃料噴射を行う成層運転領域であるか否かが判別される。吸気行程初期と圧縮行程末期の二回に分けて燃料噴射を行う成層運転領域であるときにはステップ１０７に進んで低オクタン燃料が燃料噴射弁６に供給されるように燃料供給制御弁２３が切換えられる。
【００５０】次いでステップ１０８では吸気行程噴射量Ｑ１が算出される。吸気行程噴射の噴射開始時期θＳ１は図３に示されるように吸気上死点付近に固定されており、従ってステップ１０９では噴射量Ｑ１、噴射開始時期θＳ１および機関回転数Ｎに基づいて噴射完了時期θＥ１が算出される。次いでステップ１１０では圧縮行程噴射量Ｑ２が算出され、次いでステップ１１１では噴射開始時期θＳ２が算出される。次いでステップ１１２では噴射量Ｑ２、噴射開始時期θＳ２および機関回転数Ｎに基づいて噴射完了時期θＥ２が算出される。次いでステップ１１３では点火時期Ｉｇが算出される。一方、ステップ１０６において吸気行程初期と圧縮行程末期の二回に分けて燃料噴射を行う成層運転領域でないと判断されたときにはステップ１１４に進んで高オクタン燃料が燃料噴射弁６に供給されるように燃料供給制御弁２３が切換えられる。次いでステップ１１５では吸気行程噴射量Ｑ１が算出される。吸気行程噴射の噴射開始時期θＳ１は図３に示されるように吸気上死点付近に固定されており、従ってステップ１１６では噴射量Ｑ１、噴射開始時期θＳ１および機関回転数Ｎに基づいて噴射完了時期θＥ１が算出される。次いでステップ１１７では点火時期Ｉｇが算出される。
【００５１】図１１および図１２に第２実施例を示す。この実施例では図１１に示されるように成層燃焼が行われる運転領域ときには要求トルクＬおよび機関回転数Ｎに応じて低オクタン燃料のオクタン価ＲＯＮが変化せしめられる。なお、図１１においてＲＯＮ＝０，ＲＯＮ＝２５，ＲＯＮ＝５０，ＲＯＮ＝７５の各曲線は夫々オクタン価が０，２５，５０，７５を示しており、各曲線間のオクタン価は比例配分により定められる。従って要求トルクＬが高くなるほどオクタン価ＲＯＮが高くなることがわかる。
【００５２】要求トルクＬが高くなるほど燃焼室５内の温度が高くなるので自着火しやすくなり、ノッキングを発生しやすくなる。そこでこの実施例では要求トルクＬが高くなるにつれて低オクタン燃料のオクタン価ＲＯＮを高くすることによって要求トルクＬが高くなってもノッキングが発生しないようにしている。なお、この実施では低オクタン燃料と高オクタン燃料の混合割合を燃料供給制御弁２３により制御することによって燃料噴射弁６に供給される燃料のオクタン価ＲＯＮが目標オクタン価となるように制御される。
【００５３】図１２は第２実施例の運転制御ルーチンを示している。図１２を参照するとまず初めにステップ２００において圧縮行程末期に一回燃料噴射を行う成層運転領域であるか否かが判別される。圧縮行程末期に一回燃料噴射を行う成層運転領域であるときにはステップ２０１に進んで燃料噴射弁６に供給される低オクタン燃料のオクタン価ＲＯＮが目標オクタン価となるように低オクタン燃料と高オクタン燃料の混合割合が燃料供給制御弁２３によって制御される。
【００５４】次いでステップ２０２では噴射量Ｑ２が算出され、次いでステップ２０３では噴射開始時期θＳ２が算出される。次いでステップ２０４では噴射量Ｑ２、噴射開始時期θＳ２および機関回転数Ｎに基づいて噴射完了時期θＥ２が算出される。次いでステップ２０５では点火時期Ｉｇが算出される。一方、ステップ２００において圧縮行程末期に一回燃料噴射を行う成層運転領域でないと判別されたときにはステップ２０６に進んで吸気行程初期と圧縮行程末期の二回に分けて燃料噴射を行う成層運転領域であるか否かが判別される。吸気行程初期と圧縮行程末期の二回に分けて燃料噴射を行う成層運転領域であるときにはステップ２０７に進んで燃料噴射弁６に供給される低オクタン燃料のオクタン価ＲＯＮが目標オクタン価となるように低オクタン燃料と高オクタン燃料の混合割合が燃料供給制御弁２３によって制御される。
【００５５】次いでステップ２０８では吸気行程噴射量Ｑ１が算出される。吸気行程噴射の噴射開始時期θＳ１は図３に示されるように吸気上死点付近に固定されており、従ってステップ２０９では噴射量Ｑ１、噴射開始時期θＳ１および機関回転数Ｎに基づいて噴射完了時期θＥ１が算出される。次いでステップ２１０では圧縮行程噴射量Ｑ２が算出され、次いでステップ２１１では噴射開始時期θＳ２が算出される。次いでステップ２１２では噴射量Ｑ２、噴射開始時期θＳ２および機関回転数Ｎに基づいて噴射完了時期θＥ２が算出される。次いでステップ２１３では点火時期Ｉｇが算出される。
【００５６】一方、ステップ２０６において吸気行程初期と圧縮行程末期の二回に分けて燃料噴射を行う成層運転領域でないと判断されたときにはステップ２１４に進んで高オクタン燃料が燃料噴射弁６に供給されるように燃料供給制御弁２３が切換えられる。次いでステップ２１５では吸気行程噴射量Ｑ１が算出される。吸気行程噴射の噴射開始時期θＳ１は図３に示されるように吸気上死点付近に固定されており、従ってステップ２１６では噴射量Ｑ１、噴射開始時期θＳ１および機関回転数Ｎに基づいて噴射完了時期θＥ１が算出される。次いでステップ２１７では点火時期Ｉｇが算出される。
【００５７】ところで図１に示される実施例では低オクタン燃料が予め燃料タンク２６内に蓄えられており、高オクタン燃料が予め燃料タンク２９内に蓄えられている。しかしながら車両上において一つの燃料、例えばガソリン、又は軽油、又は灯油から高オクタン燃料と低オクタン燃料を製造する製造手段を設けることができる。この製造手段としては改質によって高オクタン燃料から低オクタン燃料を製造する製造装置、又は改質によって低オクタン燃料から高オクタン燃料を製造する製造装置、又は蒸留によって高オクタン燃料と低オクタン燃料を製造する製造装置を用いることができる。図１３に示す第３実施例では燃料タンク２６内の低オクタン燃料を高オクタン燃料に改質するための燃料改質装置３３が設けられており、生成された高オクタン燃料が燃料タンク２９に供給される。
【００５８】図１４から図１８に第４実施例を示す。図１４および図１５に示されるようにこの実施例では燃料噴射弁６に加え、各気筒の吸気ポート９内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁３４が各吸気枝管１２に夫々配置される。燃料噴射弁６はコモンレール２５に連結されており、従って燃料噴射弁６からは燃焼室５内に向けて高オクタン燃料が噴射される。一方、燃料噴射弁３４はコモンレール２４に連結されており、従って燃料噴射弁３４からは吸気ポート９内に向けて低オクタン燃料が噴射される。
【００５９】図１６に示されるようにこの実施例においても要求トルクＬがＬ₀よりも低いときには成層燃焼が行われ、要求トルクＬがＬ₀よりも高くなると均質燃焼が行われる。なお、実際に成層燃焼が行われる運転領域と均質燃焼が行われる運転領域は図１７に示されるように要求トルクＬばかりでなく機関回転数Ｎの関数でもある。
【００６０】図１６に示されるように成層燃焼が行われる運転領域では低オクタン燃料が燃料噴射弁３４から噴射量ＱＰだけ吸気ポート９内に向けて噴射され、高オクタン燃料が燃料噴射弁６から燃焼室５内に向けて圧縮行程末期に噴射量Ｑ２だけ噴射される。従って燃料噴射弁６から高オクタン燃料が噴射される前に燃焼室５内はほぼ均質な低オクタン燃料の予混合気によって満たされており、燃料噴射弁６から高オクタン燃料が噴射されると点火栓７の周りに高オクタン燃料からなる予混合気Ｇが形成される。
【００６１】従ってこの実施例においても成層燃焼が行われているときには燃焼室５内における予混合気の濃度Ｄは図１５の曲線Ｄで示されるように燃焼室５の中心部において最も高くなり、燃焼室５の周辺部に向けて次第に低下する。即ち、予混合気の濃度Ｄに空間分布が生じることになる。この場合、点火栓７の周りにほぼ当量比ψが１の予混合気が形成されているとすると燃焼室５の周辺部に向けて予混合気の当量比ψが次第に小さくなる。なお、この実施例においても点火栓７周りの予混合気の当量比ψは１でなくてもよい。
【００６２】この実施例ではまず初めに点火栓７によって主に高オクタン燃料からなる予混合気Ｇが着火せしめられ、主に高オクタン燃料が火炎伝播燃焼せしめられる。高オクタン燃料が火炎伝播燃焼せしめられると予混合気Ｇ周りの低オクタン燃料周りの圧力および温度が上昇し、斯くして低オクタン燃料が自着火燃焼せしめられる。
【００６３】ところがこの実施例では上述したように燃焼室５の周辺部に向けて予混合気の当量比ψが次第に小さくなり、このように予混合気の当量比ψが次第に小さくなると図８（Ａ），（Ｂ）からわかるように着火遅れ時間τが次第に長くなる。従って予混合気が自着火すると次に時間差をもってその周囲の予混合気が自着火し、斯くして燃焼室５の周辺部に向けて予混合気が時間差をもって順次自着火する。このように予混合気が時間差をもって順次自着火すると燃焼室５内の圧力上昇が緩慢となるためにノッキングが発生しずらくなる。
【００６４】更に高オクタン燃料と低オクタン燃料とが混合せしめられると混合した燃料のオクタン価は高オクタン燃料と低オクタン燃料との混合割合に応じたオクタン価となる。従って、図１５に示されるように点火栓７の周りでは高オクタン燃料の濃度が高いためにオクタン価ＲＯＮが高くなっており、燃焼室５の周辺部に向かうに従って高オクタン燃料の濃度が低くなっていくためにオクタン価ＲＯＮが次第に小さくなる。即ち、燃焼室５の周辺部の方が燃焼室５の中央部よりもオクタン価が低く、自着火しやすくなっている。この実施例では低オクタン燃料の噴射量ＱＰを制御することによって燃焼室５の周辺部に集まっている低オクタン燃料の量を制御することができ、斯くして自着火燃焼割合を容易に制御することができる。
【００６５】一方、図１６に示されるように均質燃焼の行われる運転領域では燃料噴射弁６から燃焼室５内に向けて吸気行程初期に高オクタン燃料が噴射され、高オクタン燃料からなる均質混合気が点火栓７によって火炎伝播燃焼せしめられる。この場合には高オクタン燃料のみによる耐ノック性の高い運転が行われる。図１８は第４実施例の運転制御ルーチンを示している。
【００６６】図１８を参照するとまず初めにステップ３００において成層燃焼を行う運転領域であるか否かが判別される。成層燃焼を行う運転領域であるときにはステップ３０１に進んで燃料噴射弁３４から噴射すべき低オクタン燃料の噴射量ＱＰが算出される。次いでステップ３０２では燃料噴射弁６から噴射すべき高オクタン燃料の噴射量Ｑ２が算出され、次いでステップ３０３では高オクタン燃料の噴射開始時期θＳ２が算出される。次いでステップ３０４では噴射量Ｑ２、噴射開始時期θＳ２および機関回転数Ｎに基づいて高オクタン燃料の噴射完了時期θＥ２が算出される。次いでステップ３０５では点火時期Ｉｇが算出される。
【００６７】一方、ステップ３００において成層燃焼を行う運転領域でないと判別されたときにはステップ３０６に進んで燃料噴射弁６から噴射すべき高オクタン燃料の吸気行程噴射量Ｑ１が算出される。吸気行程噴射の噴射開始時期θＳ１は図１６に示されるように吸気上死点付近に固定されており、従ってステップ３０７では噴射量Ｑ１、噴射開始時期θＳ１および機関回転数Ｎに基づいて高オクタン燃料の噴射完了時期θＥ１が算出される。次いでステップ３０８では点火時期Ｉｇが算出される。
【００６８】図１９に第５実施例を示す。この実施例では成層燃焼すべき運転状態のときに吸気ポート９から燃焼室５内に供給される低オクタン燃料の気化を促進するために燃料噴射弁３４から低オクタン燃料がＥＧＲ通路２１内に向けて噴射される。
【００６９】
【発明の効果】予混合気の一部を自着火燃焼せしめることによって熱効率を向上し、トルク変動を低減し、未燃ＨＣの発生量を低減することができる。

【出願人】	【識別番号】０００００３２０７【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社【識別番号】０００００３６０９【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
【出願日】	平成１２年３月８日（２０００．３．８）
【代理人】	【識別番号】１０００７７５１７【弁理士】【氏名又は名称】石田敬（外２名）
【公開番号】	特開２００１－２５４６６０（Ｐ２００１－２５４６６０Ａ）
【公開日】	平成１３年９月２１日（２００１．９．２１）
【出願番号】	特願２０００－６８６６７（Ｐ２０００－６８６６７）