JP2009138568A

JP2009138568A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2009138568A
Application number: JP2007313891A
Authority: JP
Inventors: 裕史 ▲吉▼村; Yasushi Yoshimura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2009-06-25

Abstract

【課題】エンジンの出力トルクを維持しつつエンジンの耐ノック性能を向上させ得る内燃機関を提供すること。
【解決手段】この内燃機関１は、吸気ポート４にて燃料を噴射するポート燃料噴射弁６５と、シリンダ２内にて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁６６とを有する。また、この内燃機関１では、ポート燃料噴射弁６５から噴射される燃料のオクタン価が筒内燃料噴射弁６６から噴射される燃料のオクタン価よりも高く設定される。また、エンジンの高負荷運転時にて体積効率が低下したときに、ポート燃料噴射弁６５の燃料噴射量が減量され、また、筒内燃料噴射弁６６から噴射される燃料のオクタン価が増加される。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、エンジンの出力トルクを維持しつつエンジンの耐ノック性能を向上させ得る内燃機関に関する。

近年の内燃機関では、低オクタン価燃料が筒内噴射され、高オクタン価燃料がポート噴射される構成が採用されている。かかる構成では、筒内噴射のみが行われる構成と比較して、点火時期の調整が容易となり、エンジンの耐ノック性能が向上する。

このような構成を採用する内燃機関として、特許文献１に記載される技術が知られている。従来の内燃機関（内燃機関の燃料噴射制御装置）は、内燃機関への燃料供給手段として、同機関の吸気通路内に燃料を噴射供給する吸気通路燃料噴射弁と、同機関の燃焼室に燃料を直接噴射供給する筒内燃料噴射弁とを有し、それら各燃料噴射弁による燃料噴射態様を当該機関の運転状態に応じて制御する内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料の性状に基づいて前記筒内燃料噴射弁からの燃料噴射量と前記吸気通路燃料噴射弁からの燃料噴射量との比率を変更する比率変更手段を備えることを特徴とする。

特開２００５−１２７１９２号公報

この発明は、エンジンの出力トルクを維持しつつエンジンの耐ノック性能を向上させ得る内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる内燃機関は、吸気ポートにて燃料を噴射するポート燃料噴射弁と、シリンダ内にて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁とを有すると共に、前記ポート燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価が前記筒内燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価よりも高く設定される内燃機関であって、エンジンの高負荷運転時にて体積効率が低下したときに、前記ポート燃料噴射弁の燃料噴射量が減量されると共に、前記筒内燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価が増加されることを特徴とする。

この内燃機関では、エンジンの高負荷運転時にて体積効率が低下したときに、（ａ）ポート燃料噴射弁の燃料噴射量が減量されると共に、（ｂ）筒内燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価が増加される。これにより、（ａ）エンジンの体積効率が増加してエンジンの出力トルクが向上する利点があり、また、（ｂ）トレースノック点Ｄが遅角側に移行してエンジンの耐ノック性能が向上する利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関では、前記ポート燃料噴射弁に燃料を供給する第一燃料通路と、前記筒内燃料噴射弁に燃料を供給する第二燃料通路と、前記第一燃料通路および前記第二燃料通路を繋ぐ連通路とを有し、且つ、前記第一燃料通路の燃料が前記連通路を介して前記第二燃料通路に導入されることにより、前記第二燃料通路の燃料のオクタン価が変更される。

この内燃機関では、ポート燃料噴射弁に供給される燃料（高オクタン価燃料）が流用されることにより、筒内燃料噴射弁に供給される燃料（低オクタン価燃料）のオクタン価が変更される。これにより、筒内燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価を増加させる手段（オクタン価変更手段）が簡易に構成される利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関では、前記連通路に流量制御弁が配置されると共に前記第一燃料通路の燃料が前記第二燃料通路の燃料よりも高圧に設定され、且つ、前記流量制御弁の開度制御により、前記第二燃料通路の燃料のオクタン価が調整される。

この内燃機関では、筒内燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価を調整する手段（オクタン価変更手段）が簡易に構成される利点がある。

この発明にかかる内燃機関では、エンジンの高負荷運転時にて体積効率が低下したときに、（ａ）ポート燃料噴射弁の燃料噴射量が減量されると共に、（ｂ）筒内燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価が増加される。これにより、（ａ）エンジンの体積効率が増加してエンジンの出力トルクが向上する利点があり、また、（ｂ）トレースノック点Ｄが遅角側に移行してエンジンの耐ノック性能が向上する利点がある。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施例に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

図１は、この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。図２〜図７は、図１に記載した内燃機関の作用を示すフローチャート（図２）および説明図（図３〜図７）である。

［内燃機関］
この内燃機関１は、例えば、４サイクルガソリンエンジンに適用される。内燃機関１は、シリンダ（シリンダボア）２と、シリンダ２内に往復可能に収容されるピストン３と、シリンダ２に連結される吸気ポート４および排気ポート５と、吸気ポート４を開閉する吸気バルブ４１ならびに排気ポート５を開閉する排気バルブ５１と、燃料を供給する燃料供給系６と、シリンダ２内の燃料に点火する点火プラグ７とを有する（図１参照）。

エンジン稼働時には、まず、ピストン３が下降すると共に吸気バルブ４１が開弁されて、吸気が吸気ポート４からシリンダ２（燃焼室）内に吸入される（吸気行程）。このとき、燃料供給系６により吸気に燃料が噴射されて、混合気が形成される。次に、ピストン３が上昇してシリンダ２内の吸気が圧縮される（圧縮行程）。次に、混合気が点火プラグ７により点火されてシリンダ２内で燃焼し（燃焼行程）、その燃焼エネルギーによりピストン３が駆動されてシリンダ２内を往復運動する。そして、このピストン３の往復運動がクランクシャフト（図示省略）の回転運動に変換されて動力が発生する。その後に、ピストン３が上昇すると共に排気バルブ５１が開放されて、シリンダ２内の燃焼ガスが排気ポート５から外部に排出される（排気行程）。

［燃料供給系］
また、この内燃機関１では、燃料供給系６が、第一燃料タンク６１および第二燃料タンク６２と、第一フィードポンプ６３および第二フィードポンプ６４と、ポート燃料噴射弁６５および筒内燃料噴射弁６６と、燃料通路６７と、高圧ポンプ６８とを有する（図１参照）。

第一燃料タンク６１および第二燃料タンク６２は、燃料を貯蔵するためのタンクである。また、第一燃料タンク６１および第二燃料タンク６２には、相互に異なるオクタン価を有する燃料（高オクタン価燃料および低オクタン価燃料）がそれぞれ貯蔵される。具体的には、第一燃料タンク６１に高オクタン価燃料が貯蔵され、第二燃料タンク６２に低オクタン価燃料が貯蔵される。第一フィードポンプ６３は、第一燃料タンク６１内の燃料を汲み上げるポンプであり、第二フィードポンプ６４は、第一燃料タンク６１内の燃料を汲み上げるポンプである。また、第一フィードポンプ６３の出口圧は、第二フィードポンプ６４の出口圧よりも高く設定されている。ポート燃料噴射弁６５および筒内燃料噴射弁６６は、燃料を噴射するためのインジェクタである。具体的には、ポート燃料噴射弁６５が吸気ポート４内にて燃料を噴射する（吸気ポートインジェクタ）。また、筒内燃料噴射弁６６がシリンダ２内にて燃料を噴射する（筒内インジェクタ）。

燃料通路６７は、第一燃料通路６７１および第二燃料通路６７２により構成される。この燃料通路６７では、第一燃料通路６７１が第一フィードポンプ６３およびポート燃料噴射弁６５を接続し、第二燃料通路６７２が第二フィードポンプ６４および筒内燃料噴射弁６６を接続する。また、第一燃料通路６７１と第二燃料通路６７２とが連通路６７３を介して連通する。また、連通路６７３には、流量制御弁６７４が配置される。この流量制御弁６７４は、連通路６７３における燃料の流量を調整する。高圧ポンプ６８は、第二燃料通路６７２上に配置されて、筒内燃料噴射弁６６に供給される燃料を昇圧する。

この燃料供給系６では、（１）流量制御弁６７４が閉止状態にある場合には、連通路６７３に燃料が流れないため、第一燃料通路６７１と第二燃料通路６７２とが相互に独立している（図６参照）。したがって、ポート燃料噴射弁６５には、第一燃料タンク６１内の高オクタン価燃料のみが供給され、筒内燃料噴射弁６６には、第二燃料タンク６２内の低オクタン価燃料のみが供給される。具体的には、まず、第一燃料タンク６１内の高オクタン価燃料が第一フィードポンプ６３により汲み上げられ、第一燃料通路６７１を介してポート燃料噴射弁６５に供給される。そして、この高オクタン価燃料がポート燃料噴射弁６５から吸気ポート４内に噴射される。また、第二燃料タンク６２内の低オクタン価燃料が第二フィードポンプ６４により汲み上げられ、第二燃料通路６７２を介して筒内燃料噴射弁６６に供給される。このとき、低オクタン価燃料が高圧ポンプ６８により昇圧されて筒内燃料噴射弁６６に供給される。これは、第二フィードポンプ６４の出口圧が低く設定されているためである。そして、この低オクタン価燃料が筒内燃料噴射弁６６からシリンダ２内に噴射される。これにより、吸気ポート４内には、高オクタン価燃料が噴射され、シリンダ２内には、低オクタン価燃料が噴射される。

また、（２）流量制御弁６７４が開放状態にある場合には、第一フィードポンプ６３の出口圧が第二フィードポンプ６４の出口圧よりも高いため、第一燃料通路６７１の高オクタン価燃料が連通路６７３を通って第二燃料通路６７２に流入する（図７参照）。したがって、筒内燃料噴射弁６６には、第一燃料通路６７１の高オクタン価燃料と第二燃料通路６７２の低オクタン価燃料との混合燃料が供給される。また、このとき、流量制御弁６７４の開度制御により、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料との混合比が調整される。これにより、筒内燃料噴射弁６６に供給される燃料のオクタン価が制御される。なお、ポート燃料噴射弁６５には、第一燃料通路６７１を介して高オクタン価燃料のみが供給される。

［燃料噴射態様とエンジン特性との関係］
一般に、内燃機関では、エンジン特性（点火時期および出力トルク）が燃料噴射の態様に応じて次のように変化する（図３参照）。なお、図３において、点Ａ〜点Ｄは、トレースノック点を示している。

（１）グラフａは、筒内噴射（シリンダ内での燃料噴射）のみが行われ、ポート噴射（吸気ポートでの燃料噴射）が行われない場合のエンジン特性を示している。このグラフａの構成（トレースノック点Ａ）では、所定のオクタン価を有する燃料（例えば、低オクタン価燃料）が筒内噴射される。かかる構成では、ポート噴射のみが行われる構成と比較して、燃料の気化潜熱によりシリンダ内の空気が冷却されるため、エンジンの体積効率が向上する。

（２）グラフｂは、筒内噴射およびポート噴射の双方が行われる場合のエンジン特性を示している。このグラフｂの構成（トレースノック点Ｂ）では、低オクタン価燃料が筒内噴射され、高オクタン価燃料がポート噴射される。かかる構成では、筒内噴射のみが行われる構成（トレースノック点Ａ）と比較して、トレースノック点Ｂが進角側に移行する。したがって、点火時期の調整が容易となり、エンジンの耐ノック性能が向上する。しかしながら、かかる構成では、筒内噴射にかかる燃料噴射量が減少するため、体積効率が低下してエンジンの出力トルクが減少する。

（３）グラフｃは、筒内噴射およびポート噴射の双方が行われる場合のエンジン特性を示している。このグラフｃの構成（トレースノック点Ｃ）では、低オクタン価燃料が筒内噴射され、高オクタン価燃料がポート噴射される。また、グラフｂの構成（トレースノック点Ｂ）と比較して、ポート噴射にかかる燃料噴射量が減量される。これにより、エンジンの体積効率が増加して、エンジンの出力トルクが向上する。しかしながら、かかる構成では、トレースノック点Ｃが遅角側に移行するため、エンジンの耐ノック性能が低下する。

［燃料噴射制御］
そこで、この内燃機関１では、エンジンの出力トルクを維持しつつエンジンの耐ノック性能を向上させるために、次のような燃料噴射制御が行われる。すなわち、（４）筒内噴射およびポート噴射の双方が行われ、且つ、低オクタン価燃料が筒内噴射されると共に高オクタン価燃料がポート噴射される構成が採用される（図１参照）。また、高負荷運転時にてエンジンの体積効率が低下したときに、（ａ）ポート燃料噴射弁６５の燃料噴射量が減量され、且つ、（ｂ）筒内燃料噴射弁６６から噴射される燃料のオクタン価が増加される。すると、（ａ）により、エンジンの体積効率が増加してエンジンの出力トルクが向上し、（ｂ）により、トレースノック点Ｄが遅角側に移行して、エンジンの耐ノック性能が向上する（図３参照）。

例えば、この実施例では、以下のように燃料噴射制御が行われる。まず、内燃機関１が燃料噴射制御にかかる制御系８を有する（図１参照）。この制御系８は、ＥＣＵ（Engine Control Unit）８１と、各種のセンサ８２、８３とが設けられる（図１参照）。各種のセンサ８１、８２には、例えば、エンジン回転数を検出する回転数センサ８２、吸入空気量を検出する吸入空気量センサ８３などが含まれる。この制御系８では、ＥＣＵ８１が各センサ８１、８２からの出力信号と所定の制御マップ（図４および図５参照）とに基づいて、ポート燃料噴射弁６５の燃料噴射量と筒内燃料噴射弁の燃料噴射量との燃料噴射比率、流量制御弁６７４の開度などを制御する。

燃料噴射制御では、まず、エンジン回転数および吸入空気量が読み込まれる（ＳＴ１）（図２参照）。次に、エンジン回転数および吸入空気量に基づいて、ポート燃料噴射弁６５の燃料噴射量と筒内燃料噴射弁６６の燃料噴射量との燃料噴射比率が設定される（ＳＴ２）（図３参照）。この燃料噴射比率は、所定の制御マップに基づいて決定される（図４参照）。例えば、この実施例では、エンジン回転数が高い領域（高負荷運転領域）にて、吸入空気量が所定の閾値（グラフｄ）を基準として減少側に変化したときに、エンジンの体積効率が低下したと判断される。そこで、この場合には、ポート噴射比率が小さく設定されて、ポート燃料噴射弁６５の燃料噴射量が減量される。これにより、エンジンの体積効率が増加してエンジンの出力トルクが向上する。

次に、エンジン回転数および吸入空気量に基づいて、流量制御弁６７４の開度が設定される（ＳＴ３）。この流量制御弁６７４の開度は、所定の制御マップに基づいて決定される（図５参照）。例えば、この実施例では、エンジン回転数が高く且つ吸入空気量が所定の閾値（グラフｅ）よりも大きい領域にて、流量制御弁６７４が開放される。すると、第一燃料通路６７１の高オクタン価燃料が連通路６７３を通って第二燃料通路６７２側に流入して、第二燃料通路６７２の低オクタン価燃料と混合される。これにより、筒内燃料噴射弁６６に供給される燃料のオクタン価が増加して、エンジンの耐ノック性能が向上する。また、この領域では、吸入空気量に応じて流量制御弁６７４の開度制御が行われる。具体的には、吸入空気量が増加するほど流量制御弁６７４の開度が大きく設定される。これにより、筒内燃料噴射弁６６に供給される燃料のオクタン価が適正化されて、エンジンの耐ノック性能が効率的に向上する。これらにより、エンジンの燃焼性および運転性が向上する。

［効果］
以上説明したように、この内燃機関１では、エンジンの高負荷運転時にて体積効率が低下したときに、（ａ）ポート燃料噴射弁６５の燃料噴射量が減量されると共に、（ｂ）筒内燃料噴射弁６６から噴射される燃料のオクタン価が増加される。これにより、（ａ）エンジンの体積効率が増加してエンジンの出力トルクが向上する利点があり、また、（ｂ）トレースノック点Ｄが遅角側に移行してエンジンの耐ノック性能が向上する利点がある（図３参照）。

［付加的事項］
また、この内燃機関１では、ポート燃料噴射弁６５に燃料を供給する第一燃料通路６７１と、筒内燃料噴射弁６６に燃料を供給する第二燃料通路６７２と、第一燃料通路６７１および第二燃料通路６７２を繋ぐ連通路６７３とが設けられる（図１参照）。そして、第一燃料通路６７１の燃料（高オクタン価燃料）が連通路６７３を介して第二燃料通路６７２に導入されることにより、第二燃料通路６７２の燃料（低オクタン価燃料）のオクタン価が変更される（図７参照）。すなわち、ポート燃料噴射弁６５に供給される燃料（高オクタン価燃料）が流用されることにより、筒内燃料噴射弁６６に供給される燃料（低オクタン価燃料）のオクタン価が変更される。これにより、筒内燃料噴射弁６６から噴射される燃料のオクタン価を増加させる手段（オクタン価変更手段）が簡易に構成される利点がある。

また、上記の構成では、連通路６７３に流量制御弁６７４が配置されると共に第一燃料通路６７１の燃料が第二燃料通路６７２の燃料よりも高圧に設定される（図７参照）。そして、流量制御弁６７４の開度制御により、第二燃料通路６７２の燃料のオクタン価が調整される。これにより、筒内燃料噴射弁６６から噴射される燃料のオクタン価を調整する手段（オクタン価変更手段）が簡易に構成される利点がある。

なお、この実施例では、第一燃料タンク６１に高オクタン価燃料が貯蔵され、第二燃料タンク６２に低オクタン価燃料が貯蔵される（図１参照）。そして、第一燃料タンク６１から第一燃料通路６７１に高オクタン価燃料が供給され、第二燃料タンク６２から第二燃料通路６７２に低オクタン価燃料が供給される。かかる構成では、第一燃料タンク６１および第二燃料タンク６２に対してそれぞれ燃料が補給されても良いし、ガソリンを高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分留する分留器（図示省略）が用いられて、各燃料タンク６１、６２に燃料がそれぞれ補給されても良い。

以上のように、この発明にかかる内燃機関は、エンジンの出力トルクを維持しつつエンジンの耐ノック性能を向上させ得る点で有用である。

この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。図１に記載した内燃機関の作用を示すフローチャートである。図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダ
３ピストン
４吸気ポート
４１吸気バルブ
５排気ポート
５１排気バルブ
６燃料供給系
６１第一燃料タンク
６２第二燃料タンク
６３第一フィードポンプ
６４第二フィードポンプ
６５ポート燃料噴射弁
６６筒内燃料噴射弁
６７燃料通路
６７１第一燃料通路
６７２第二燃料通路
６７３連通路
６７４流量制御弁
６８高圧ポンプ
７点火プラグ
８制御系
８１ＥＣＵ
８２回転数センサ
８３吸入空気量センサ

Claims

吸気ポートにて燃料を噴射するポート燃料噴射弁と、シリンダ内にて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁とを有すると共に、前記ポート燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価が前記筒内燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価よりも高く設定される内燃機関であって、
エンジンの高負荷運転時にて体積効率が低下したときに、前記ポート燃料噴射弁の燃料噴射量が減量されると共に、前記筒内燃料噴射弁から噴射される燃料のオクタン価が増加されることを特徴とする内燃機関。
前記ポート燃料噴射弁に燃料を供給する第一燃料通路と、前記筒内燃料噴射弁に燃料を供給する第二燃料通路と、前記第一燃料通路および前記第二燃料通路を繋ぐ連通路とを有し、且つ、前記第一燃料通路の燃料が前記連通路を介して前記第二燃料通路に導入されることにより、前記第二燃料通路の燃料のオクタン価が変更される請求項１に記載の内燃機関。
前記連通路に流量制御弁が配置されると共に前記第一燃料通路の燃料が前記第二燃料通路の燃料よりも高圧に設定され、且つ、前記流量制御弁の開度制御により、前記第二燃料通路の燃料のオクタン価が調整される請求項２に記載の内燃機関。