JP5958408B2 - 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。そして、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、アルコールを含有する燃料を使用するエンジンにおいては、運転条件によって、ガソリンエンジン等に比べて燃焼安定性が悪化する場合がある。

ここに開示する技術は、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の低い特殊燃料を含む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、火花点火式エンジンが対象である。この火花点火式エンジンは、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吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記エンジン本体の排気ポートを開閉する排気弁と、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、前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間とがオーバーラップする運転領域である内部ＥＧＲ運転領域を有し、該内部ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い運転条件下では前記燃料の気化率が高い運転条件下に比べて吸気負圧を低下させるものとする。

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。

前記の構成によれば、ＥＧＲ運転領域において燃料の気化率が低い運転条件下での燃焼安定性を向上させることができる。

詳しくは、吸気負圧を低下させることによって内部ＥＧＲガスを減少させることができる。内部ＥＧＲガスは不活性ガスであり、燃焼安定性の観点からは好ましくない。つまり、内部ＥＧＲガスを減少させることによって、燃焼安定性を向上させることができる。

また、吸気負圧を低下させることによって吸気充填量を増やすことができる。吸気量が増えることによって、気筒内における空気量に対するＥＧＲガス量の割合であるＥＧＲガス率を低減させることができる。つまり、吸気負圧を低下させることによって、内部ＥＧＲガスの量が減少することと空気量が増加することとの両方で、ＥＧＲガス率を大幅に低減させることができる。

さらに、空気量を増やすことによって、圧縮行程における気筒内の圧力及び温度を高くすることができる。これにより、特殊燃料の幾何を促進することができ、燃焼安定性をより一層向上させることができる。

また、火花点火式エンジンは、前記エンジン本体の吸気通路に設けられたスロットル弁をさらに備え、前記制御部は、前記スロットル弁を開くことによって吸気負圧を低下させるようにしてもよい。つまり、吸気負圧の低下は、スロットル弁を開くことにより実現される。

さらに、前記ＥＧＲ運転領域における前記排気弁の閉弁時期は、排気上死点よりも遅い時期に設定されていてもよい。

また、火花点火式エンジンは、前記燃料を前記エンジン本体の気筒内に直接噴射するように構成された燃料噴射弁をさらに備え、前記制御部は、前記ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い運転条件下では少なくとも圧縮行程中に前記燃料噴射弁から前記気筒内に燃料を噴射させるようにしてもよい。

圧縮行程中は、吸気行程に比べて、気筒内の圧力及び温度が高くなる。そのため、圧縮行程中に燃料を噴射することによって、燃料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。

さらに、前記制御部は、前記ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い運転条件下では、少なくとも吸気行程中に前記燃料噴射弁から前記気筒内に燃料を噴射させる第１噴射と、少なくとも圧縮行程中に前記燃料噴射弁から前記気筒内に燃料を噴射させる第２噴射とを行うようにしてもよい。

前記の構成によれば、燃料を吸気行程と圧縮行程とに噴射することによって、燃料が多い場合であっても、十分な燃料噴射期間を確保することができる。

また、吸気行程中の気筒内は負圧になっており、このときに気筒内に燃料を噴射すると、減圧沸騰効果により燃料の気化が促進される。また、吸気行程中に燃料を噴射することによって、吸気流動を利用して混合気を形成することができると共に、圧縮行程中に燃料を噴射する場合と比べて、混合気形成期間を長くすることができる。それに加えて、圧縮行程中に燃料を噴射することによって、燃料の気化を促進することができる。つまり、燃料を吸気行程と圧縮行程とに噴射することによって、十分な燃料噴射期間を確保することができると共に、吸気行程中の燃料噴射及び圧縮行程中の燃料噴射のそれぞれのメリットを享受することができる。

また、前記制御部は、前記ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い運転条件下では、前記燃料の気化率が高い運転条件下に比べて前記吸気弁の閉弁時期及び開弁時期を進角させる。

この構成によれば、燃料の気化率が低い運転条件下では吸気弁の閉弁時期が進角させられるので、有効圧縮比が増加し、圧縮時の気筒内の圧力及び温度が高くなる。これにより、燃焼安定性を向上させることができる。これに圧縮行程における燃料噴射を組み合わせる場合には、燃料の気化をさらに促進させることができる。ただし、吸気弁の開弁時期も進角させられるので、吸気弁の開弁時期と排気弁の開弁時期とがオーバーラップする期間が拡大してしまう。しかしながら、前述の如く、吸気負圧を低下させているため、ＥＧＲガス量及びＥＧＲガス率の増大を抑制することができる。つまり、ＥＧＲガスによる燃焼安定性の悪化を防止することができる。

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。

直噴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。 （Ａ）は、燃料の気化率に対する吸気バルブタイミング可変機構の閉弁タイミングを示す図であり、（Ｂ）は、燃料の気化率に対するスロットル弁開度を示す図であり、（Ｃ）は、燃料の気化率に対する吸気マニホールド負圧を示す図である。

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。

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***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***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。吸気マニホールド５５及びスロットルボディ５６は、吸気通路の一部を構成する。

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、ＰＣＶホース５９を開閉することができる。つまり、ＰＣＶバルブ５９ａが開かれると、ＰＣＶホース５９とクランク室１２ａが連通し、ＰＣＶバルブ５９ａが閉じられると、ＰＣＶホース５９とクランク室１２ａが遮断される。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。

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（つまり、理論空燃比の値が小さくなる）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、リニアＯ_２センサ７９が出力した信号から、空燃比がリーンのときには、燃料中にガソリンが多いと判定する一方、空燃比がリッチのときには燃料中にエタノールが多いと判定することにより、燃料におけるエタノール濃度を推定する。

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。

このように構成されたエンジン１において、エンジン制御器１００は、少なくとも部分負荷領域であって且つ排気弁２２の開弁期間と吸気弁２１の開弁期間とが部分的にオーバーラップする運転領域において、燃料の気化率に応じて吸気負圧を調整している。ここで、「の部分負荷領域」とは、例えば全開負荷を含む高負荷以外の負荷領域のことであり、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を意味する。例えば、「部分負荷」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・中負荷領域としてもよい。そして、この運転領域においては、排気弁２２が閉弁する前に吸気弁２１が開弁するので、内部ＥＧＲが行われる。尚、排気弁２２の閉弁時期は、排気上死点よりも遅い時期に設定されている。以下、該運転領域を内部ＥＧＲ運転領域と称する。以下に、図３を参照しながら、内部ＥＧＲ運転領域における吸気負圧の制御について説明する。図３において、（Ａ）は、燃料の気化率に対する吸気バルブタイミング可変機構の閉弁タイミングを示し、（Ｂ）は、燃料の気化率に対するスロットル弁開度を示し、（Ｃ）は、燃料の気化率に対する吸気マニホールド負圧を示す。

ここで、燃料の気化率は、運転条件に応じて変化する。例えば、エンジン１の温度が低くなるほど、燃料の気化率は低下する。また、燃料中のエタノール濃度が高くなるほど、燃料の気化率は低下する。

エンジン制御器１００は、まず、エタノール濃度に応じて燃料の気化率の高低を判定する。エンジン制御器１００は、エタノール濃度が所定濃度より高ければ、燃料の気化率が高い第１運転条件下であると判定する一方、エタノール濃度が所定濃度以下であれば、燃料の気化率が低い第２運転条件下であると判定する。エンジン制御器１００は、前述の如く推定したエタノール濃度を用いて燃料の気化率を判定する。

第１運転条件下においては、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所定角度だけ遅角側に設定する。吸気の遅閉じにより、ポンプ損失を低減し燃費の向上を図っている。図３（Ａ）において、吸気バルブタイミング可変機構３２が最も遅角側に設定された、気化率が高い領域が第１運転条件下での運転領域に相当する。このとき、エンジン制御器１００は、スロットル弁５７の開度を要求出力に応じた開度に設定している。また、エンジン制御器１００は、混合気形成期間を十分に確保するために、燃料噴射時期を吸気行程に設定する。吸気行程期間中に燃料を噴射することは、吸気流動を利用して混合気の形成に有利になる。

一方、第２運転条件下では、エンジン制御器１００は、第１運転条件下よりも、吸気弁２１の閉弁時期を進角させて吸気下死点に近づけると共に、スロットル弁５７の開度を開く。図３（Ａ）において、吸気バルブタイミング可変機構３２が最も遅角側に設定された領域の途中から低気化率側の領域が第２運転条件下での運転領域に相当する。このとき、エンジン制御器１００は、燃料の気化率に応じて、吸気弁２１の進角量及びスロットル弁５７の開度を調整する。尚、第２運転条件下においては、エンジン制御器１００は、エンジン１の温度に基づいて燃料の気化率を判定している。つまり、エンジン制御器１００は、エタノール濃度が所定濃度以下のときには、エタノール濃度にかかわらずエンジン１の温度のみによって燃料の気化率を判定する。ただし、これに限られるものではなく、エタノール濃度及びエンジン１の温度に基づいて燃料の気化率を判定してもよい。エンジン制御器１００は、水温センサ７８からの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。

詳しくは、エンジン制御器１００は、エンジン１の温度が低いほど、即ち、燃料の気化率が低いほど、吸気弁２１の進角量を大きくする。吸気弁２１の閉弁時期を進角させることによって、エンジン１の有効圧縮比を高めることができる。エンジン１の有効圧縮比が高くなると、圧縮行程における気筒１１内の圧力及び温度を高くすることができ、燃焼安定性が向上する。また、気筒１１内の温度が高くなることは、燃料の気化の点においても有利であり、このことによっても燃焼安定性が向上する。尚、本実施形態では、エンジン制御器１００は、エンジン１の温度が低いほど、吸気弁２１の進角量を階段状に大きくする。これにより、吸気バルブタイミング可変機構３２の応答性が高くなくても、吸気弁２１の進角量を燃料の気化率に応じて調整することができる。

ここで、吸気バルブタイミング可変機構３２は位相可変機構であるため、吸気弁２１の閉弁時期を進角させると、吸気弁２１の開弁時期も進角する。吸気弁２１の開弁時期が進角すると、排気弁２２の開弁期間と吸気弁２１の開弁期間とのオーバーラップ量が増加する。その結果、内部ＥＧＲにより気筒１１内に還流するＥＧＲガスの量が増大し得る。ＥＧＲガスは、不活性ガスであるため、燃焼安定性に悪影響を及ぼし得る。第２運転条件下は、そもそも燃料の気化率が低く、燃焼安定性が良くないため、ＥＧＲガスによる影響が大きい。

そこで、エンジン制御器１００は、図３（Ｂ）に示すように、エンジン１の温度が低いほど、即ち、燃料の気化率が低いほど、スロットル弁５７の開度を大きくする。スロットル弁５７の開度を大きくすることによって、図３（Ｃ）に示すように、吸気負圧（吸気マニホールド負圧）を低下させることができる。内部ＥＧＲによるＥＧＲガス量は、排気マニホールド６０と吸気マニホールド５５との圧力差に依存するので、吸気負圧を低下させることによって、ＥＧＲガス量を低減することができる。ＥＧＲガス量を低減することにより、燃焼安定性を向上させることができる。尚、スロットル弁５７の開度は、吸気弁２１の閉弁時期と異なり、エンジン１の温度に対して連続的に、即ち、漸次変化させている。スロットル弁５７の開度は乗り心地に与える影響が大きいため、階段状ではなく連続的に変化させている。

さらに、吸気負圧を低下させることによって、吸気充填量が増加する。そのため、ＥＧＲガス量の低下に加えて、充填空気量が増加することによって、気筒１１内のＥＧＲガス率を大幅に低下させることができる。これにより、燃焼安定性をより一層向上させることができる。

それに加えて、吸気負圧を低下させて吸気充填量が増加することによって、有効圧縮比を高くすることができる。前述の如く、有効圧縮比を高くすることによって、圧縮行程における気筒１１内の圧力及び温度を高くすることができ、燃焼安定性を向上させることができる。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。

尚、スロットル弁５７の開度を大きくすることによって、エンジン１の出力が大きくなる。そのため、エンジン制御器１００は、オルタネータを作動させることによって要求出力以上の出力を電力に変化している。ただし、第２運転条件下においてエンジン１の出力が増大するのはエンジン１の温度が低いときであり、このときにはトランスミッション抵抗等が大きい。そのため、エンジン１の出力の増大分は、トランスミッション抵抗により消費され得る。また、点火時期又は燃料の噴射量を調整して、出力を調整してもよい。

第２運転条件下においては、エンジン制御器１００は、燃料噴射時期を吸気行程と圧縮行程とに設定し、吸気行程における第１噴射と圧縮行程における第２噴射との分割噴射を行う。吸気行程と圧縮行程との両方で燃料噴射を行うことによって、燃焼の噴射期間を十分に確保することができる。それに加えて、燃料の一部を吸気行程で噴射することにより、混合気の形成期間を十分に確保することが可能になる。また、吸気行程噴射を行うことは、吸気流動を利用して、燃料の気化に有利になる。また、燃料の一部を圧縮行程で噴射することにより、気筒１１内の高い温度を利用して、燃料の気化を促進することができる。

したがって、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を含む燃料が供給されるように構成されたエンジンであって、前記エンジン１の吸気ポート１８を開閉する吸気弁２１と、前記エンジン１の排気ポート１９を開閉する排気弁２２と、前記エンジン１の運転を制御するエンジン制御器１００とを備え、前記エンジン制御器１００は、前記吸気弁２１の開弁期間と前記排気弁２２の開弁期間とがオーバーラップする運転領域である内部ＥＧＲ運転領域を有し、該内部ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い第２運転条件下では前記燃料の気化率が高い第１運転条件下に比べて吸気負圧を低下させる。

この構成によれば、吸気負圧を低下させることによって、ＥＧＲガス量を低減することができ、燃焼安定性を向上させることができる。また、吸気負圧を低下させることによって、ＥＧＲガス量を低減できることに加えて、吸気充填量を増加させることができるので、ＥＧＲガス率を大幅に低減することができる。これにより、燃焼安定性をより一層向上させることができる。また、吸気充填量が増加することによって、有効圧縮比を高くすることができる。これにより、圧縮行程における圧力及び温度を高くすることができ、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。さらには、圧縮行程における温度が高くなることによって、燃料の気化を促進することができ、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。

また、エンジン１は、吸気通路に設けられたスロットル弁５７をさらに備え、前記エンジン制御器１００は、前記スロットル弁５７を開くことによって吸気負圧を低下させる。つまり、吸気負圧の低下は、スロットル弁５７を開くことにより実現される。スロットル弁５７を開くことによって、吸気充填量が増加する。

さらに、前記内部ＥＧＲ運転領域における前記排気弁２２の閉弁時期は、排気上死点よりも遅い時期に設定されている。

また、エンジン１は、燃料を気筒１１内に直接噴射するように構成された燃料噴射弁５３をさらに備え、前記エンジン制御器１００は、前記内部ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い第２運転条件下では少なくとも圧縮行程中に前記燃料噴射弁５３から前記気筒内に燃料を噴射させる。

この構成によれば、少なくとも燃料の一部を圧縮行程で噴射することにより、気筒１１内の高い温度を利用して、燃料の気化を促進することができる。これにより、燃焼安定性をより一層向上させることができる。

さらに、前記エンジン制御器１００は、前記内部ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い第２運転条件下では、少なくとも吸気行程中に前記燃料噴射弁５３から前記気筒内に燃料を噴射させる第１噴射と、少なくとも圧縮行程中に前記燃料噴射弁５３から前記気筒内に燃料を噴射させる第２噴射とを行う。

この構成によれば、燃料の噴射期間を確保することができると共に、吸気行程噴射と圧縮行程噴射の両方のメリットを享受することができる。圧縮行程噴射のメリットは前述の通りである。それに加えて、吸気行程噴射を行うことによって、混合気の形成期間を十分に確保することができると共に、吸気流動を利用して燃料の気化を促進することができる。

また、前記エンジン制御器１００は、前記内部ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い第２運転条件下では、前記燃料の気化率が高い第１運転条件下に比べて前記吸気弁２１の閉弁時期及び開弁時期を進角させる。

この構成によれば、第２運転条件下では吸気弁２１の閉弁時期が進角され、エンジン１の有効圧縮比が高められる。これにより、圧縮行程における圧力及び温度が高くなり、燃焼安定性を向上させることができる。また、圧縮行程中の温度が高くなることにより、燃料の気化を促進することができ、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。このとき、吸気弁２１の開弁時期が進角すると、内部ＥＧＲによるＥＧＲガス量が増加し得る。しかしながら、前述の如く、吸気負圧を低下させることによって、ＥＧＲガス量の増加を抑制することができる。それに加え、吸気負圧を低下させることによる前述の利益を享受することができる。

《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、燃料の気化率を、まず燃料のエタノール濃度に基づいて判定し、燃料のエタノール濃度が所定濃度以下の場合には、さらにエンジン１の温度に基づいて判定している。しかし、燃料の気化率の判定はこれに限られるものではない。エタノール濃度及びエンジン１の温度に対する燃料の気化率の関係を予め求めておき、エンジン制御器１００がその関係をマップ等の形式で記憶しており、エタノール濃度及びエンジン１の温度をマップに照らし合わせて燃料の気化率を判定してもよい。また、エンジン制御器１００は、エタノール濃度にかかわらず、エンジン１の温度のみに基づいて燃料の気化率を判定してもよい。あるいは、エンジン制御器１００は、エンジン１の温度にかかわらず、エタノール濃度のみに基づいて燃料の気化率を判定してもよい。さらには、エンジン制御器１００は、前述の如く、リニアＯ_２センサ７９の検知結果に基づいて算出した燃料の気化率に応じて吸気弁２１の閉弁時期及びスロットル弁５７の開度を調整してもよい。

前記実施形態では、第２運転条件下で吸気行程における第１噴射と圧縮行程における第２噴射との分割噴射を行っているが、これに限られるものではない。例えば、吸気行程における燃料噴射と圧縮行程における燃料噴射とを連続して行ってもよい。また、噴射期間を十分に確保できるのであれば、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の何れかのみであってもよい。

また、前記実施形態においては、第２運転条件下では、第１運転条件下に比べて吸気弁２１の閉弁時期を進角させているが、これに限られるものではない。ＥＧＲガスは燃焼安定性の観点から好ましくないので、吸気弁２１の閉弁時期を進角させない場合であっても、燃料の気化率が低い環境下にあっては、吸気負圧を低下させることによって燃焼安定性を向上させることは有効である。

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について有用である。

１ エンジン（エンジン本体）
１８ 吸気ポート
１９ 排気ポート
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
５３ 燃料噴射弁
５７ スロットル弁
１００ エンジン制御器（制御部）

Claims (5)

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吸気ポートを開閉する吸気弁と、
   前記エンジン本体の排気ポートを開閉する排気弁と、
   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、前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間とがオーバーラップする運転領域である内部ＥＧＲ運転領域を有し、該内部ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い運転条件下では前記燃料の気化率が高い運転条件下に比べて吸気負圧を低下させ、
   前記制御部はまた、前記内部ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い運転条件下では、前記燃料の気化率が高い運転条件下に比べて前記吸気弁の閉弁時期及び開弁時期を進角させ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、
   前記エンジン本体の吸気通路に設けられたスロットル弁をさらに備え、
   前記制御部は、前記スロットル弁を開くことによって吸気負圧を低下させる火花点火式エンジン。
3. 請求項１又は２に記載の火花点火式エンジンにおいて、
   前記内部ＥＧＲ運転領域における前記排気弁の閉弁時期は、排気上死点よりも遅い時期に設定されている火花点火式エンジン。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の火花点火式エンジンにおいて、
   前記燃料を前記エンジン本体の気筒内に直接噴射するように構成された燃料噴射弁をさらに備え、
   前記制御部は、前記内部ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い運転条件下では少なくとも圧縮行程中に前記燃料噴射弁から前記気筒内に燃料を噴射させる火花点火式エンジン。
5. 請求項４に記載の火花点火式エンジンにおいて、
   前記制御部は、前記内部ＥＧＲ運転領域において前記燃料の気化率が低い運転条件下では、少なくとも吸気行程中に前記燃料噴射弁から前記気筒内に燃料を噴射させる第１噴射と、少なくとも圧縮行程中に前記燃料噴射弁から前記気筒内に燃料を噴射させる第２噴射とを行う火花点火式エンジン。

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