内燃機関の燃焼制御装置
【課題】低負荷運転状態から高負荷運転状態までの幅広い運転状態において予混合圧縮着火燃焼を効率良くかつ安定して継続させることができる内燃機関の燃焼制御装置を得る。
【解決手段】内燃機関の燃焼制御装置において、インジェクタ１３は、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合比率を調整可能で、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合により生成された混合燃料２８を共通の噴射口４３から燃焼室６内へ直接噴射するようになっている。コントローラ１９は、エンジン１の運転状態を検出するセンサ装置１８からの情報に基づいてインジェクタ１３を制御することにより、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合比率を調整する。
【解決手段】内燃機関の燃焼制御装置において、インジェクタ１３は、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合比率を調整可能で、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合により生成された混合燃料２８を共通の噴射口４３から燃焼室６内へ直接噴射するようになっている。コントローラ１９は、エンジン１の運転状態を検出するセンサ装置１８からの情報に基づいてインジェクタ１３を制御することにより、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合比率を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の燃焼室内における予混合圧縮着火燃焼を制御する内燃機関の燃焼制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃費を向上させるために、吸気行程で燃料を噴射して混合気を生成し、圧縮行程の高温高圧状態で混合気を自己着火させて予混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関が知られている。このような従来の内燃機関では、燃料が吸気行程で噴射されるので、混合気の濃度の低いリーン状態で燃焼を行うときには、均質な混合気を形成するのに十分な時間が確保され、圧縮行程の後半には混合気中に過濃領域がほとんど存在しなくなる。このため、燃焼温度が低くなってサーマルＮＯｘの生成を抑制することができ、ＮＯｘ浄化触媒の装着を不要にすることができる。このことから、予混合圧縮着火燃焼の方式が次世代の燃焼方式として開発が進められている。
【０００３】
予混合圧縮着火燃焼では、圧縮行程における混合気の温度が自己着火温度よりも低ければ混合気が着火されることはない。従って、従来、混合気の温度を上昇させるために、内燃機関の圧縮比を大きくする方法や、吸排気バルブの開閉タイミングを調整して高温の残留ガスを気筒内に残す方法、吸気を電気ヒータで加熱する方法等が用いられることがある。これにより、従来では、混合気の濃度の低い低負荷運転状態において、安定した予混合圧縮着火燃焼を実現している。
【０００４】
しかし、混合気の濃度が高くなる高負荷運転状態では、自己着火温度が低く、着火すると燃焼速度が速くなるので、異常昇圧によるノッキングが発生し、予混合圧縮着火燃焼を継続することができなくなってしまう。高負荷運転状態で予混合圧縮着火燃焼を成立させるためには、過早着火の抑制と燃焼速度の低減とが必要になる。
【０００５】
従来、高負荷運転状態でのノッキングの発生を抑制するために、通常の火花点火燃焼の状態から予混合圧縮着火燃焼の状態へ切り替えるときに、ガソリンと空気との混合気に水を噴射して予混合圧縮着火燃焼の過早着火を抑制する内燃機関の制御装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
また、従来、高負荷運転状態でのノッキングの発生を抑制するために、互いに異なる特性を持つ２種類の燃料を内燃機関の運転状態に応じて供給するバイフューエル技術も提案されている。従来、第１のインジェクタからガソリンを第１の燃料として噴射してガソリンと空気との混合気を形成した後、第２のインジェクタから水素ガス、ジエチルエーテル又は軽油を第２の燃料として燃焼室内に噴射する内燃機関も提案されている（例えば特許文献２〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１７０８２号公報
【特許文献２】特開２００４−１００５０１号公報
【特許文献３】特開２００８−２８６１１０号公報
【特許文献４】特開２００９−６８４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に示されている内燃機関では、ガソリンと空気との混合気が形成された後に水を噴射するので、混合気全体に水が行渡らないおそれがある。また、特許文献２〜４に示されている内燃機関では、第１の燃料を噴射する第１のインジェクタと、第２の燃料を噴射する第２のインジェクタとが互いに異なる位置に配置されているので、第１の燃料の混合気の形成と第２の燃料の混合気の形成とが個別に進んだ状態で混合されることとなる。このため、安定して均質な混合気を常に形成することが難しく、第１の燃料と第２の燃料とが成層化する部分が残ってしまう。従って、従来の内燃機関では、燃料の混合の効果を十分に引き出すことができず、高負荷運転状態になるとノッキングの発生を十分に抑制することができなくなってしまう。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、低負荷運転状態から高負荷運転状態までの幅広い運転状態において予混合圧縮着火燃焼を効率良くかつ安定して継続させることができる内燃機関の燃焼制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る内燃機関の燃焼制御装置は、内燃機関の燃焼室内での予混合圧縮着火燃焼を制御する内燃機関の燃焼制御装置であって、第１の燃料及び第２の燃料の混合比率を調整可能で、第１の燃料と第２の燃料との混合により生成された混合燃料を共通の噴射口から燃焼室内へ直接噴射する燃料噴射装置、内燃機関の運転状態を検出する検出部、及び検出部からの情報に基づいて燃料噴射装置を制御することにより、第１の燃料及び第２の燃料の混合比率を調整する制御部を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る内燃機関の燃焼制御装置では、第１の燃料と第２の燃料との混合により生成された混合燃料を共通の噴射口から燃焼室内へ直接噴射するので、第１の燃料と第２の燃料とが燃焼室内で成層化してしまうことを防止することができ、均質な混合気を燃焼室内に常に安定して形成することができる。また、互いに異なる着火性能及びアンチノック性能を持つ第１の燃料及び第２の燃料を混合して混合燃料を生成することにより、互いに異なる運転状態に対して安定した燃焼を継続することができる。従って、低負荷運転状態から高負荷運転状態までの幅広い運転状態において予混合圧縮着火燃焼を効率良くかつ安定して継続させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による内燃機関を示す構成図である。
【図２】図１の吸気流動調整装置を示す拡大図である。
【図３】図２の吸気流動調整装置を示す上面図である。
【図４】図１のインジェクタを示す断面図である。
【図５】図４のスワーラチップを示す斜視図である。
【図６】図４のスワーラチップを示す平面図である。
【図７】図４のバルブシート及びニードルを示す斜視図である。
【図８】図１の燃焼室内で第１の燃料、第２の燃料及び混合燃料のそれぞれを用いて予混合圧縮着火燃焼を行ったときの熱発生率の挙動を示すグラフである。
【図９】図１のエンジンが高負荷運転状態となっている場合に第１の燃料及び混合燃料のそれぞれを燃焼室内に噴射したときの燃焼室内の圧力（筒内圧力）の挙動を示すグラフ（指圧線図）である。
【図１０】図１の燃焼室内に吸入ガスのタンブル流動を形成するエンジンの運転領域、吸入ガスのスワール流動を形成するエンジンの運転領域、吸入ガスのスワール流動及びタンブル流動のいずれも形成しないエンジンの運転領域を示すグラフである。
【図１１】図１のインジェクタから噴射される混合燃料の第１の燃料及び第２の燃料の混合比率を決めるためのエンジンの運転領域を示すグラフである。
【図１２】図１のコントローラからインジェクタ本体及び燃料調整装置のそれぞれへの弁駆動信号の出力時間を示すグラフである。
【図１３】図１のコントローラが燃料噴射の調整を行うときの動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による内燃機関を示す構成図である。図において、エンジン（内燃機関）１は、エンジン筒２と、エンジン筒２内を摺動しながら往復移動されるピストン３と、ピストン３の往復移動に応じて回転されるクランクシャフト４と、ピストン３とクランクシャフト４とを接続する接続ロッド５と、エンジン筒２の内面とピストン３とで囲まれる燃焼室６内に吸気口７ａを介して連通され、燃焼室６内に吸入される空気（吸入ガス）を導く吸気管（吸気路）７と、燃焼室６内に排気口８ａを介して連通され、燃焼室６内から排出される既燃ガス（排出ガス）を外部へ導く排気管（排気路）８と、燃焼室６内での燃焼を制御する燃焼制御装置９とを有している。
【００１４】
エンジン筒２には、吸気口７ａを開閉する吸気弁１０と、排気口８ａを開閉する排気弁１１とが設けられている。吸気弁１０は、吸気口７ａを開くことにより燃焼室６内への吸気を可能とし、吸気口７ａを閉じることにより燃焼室６内への吸気を阻止する。排気弁１１は、排気口８ａを開くことにより燃焼室６内からの排気を可能とし、排気口８ａを閉じることにより燃焼室６内からの排気を阻止する。
【００１５】
ピストン３は、エンジン筒２内で往復移動することにより、吸気管７から燃焼室６内への吸気と、燃焼室６内から排気管８への排気とを行う。燃焼室６内には、吸気口７ａからの吸入ガスと燃焼制御装置９からの燃料とが導入されて可燃燃料予混合気が形成される。また、燃焼室６内では、ピストン３の圧縮によって可燃燃料予混合気が自己着火されることにより予混合圧縮着火燃焼が行われる。ピストン３は、燃焼室６内での燃焼による圧力を受けることにより移動されて、クランクシャフト４を回転させる。
【００１６】
排気管８には、三元触媒１２が設けられている。三元触媒１２は、燃焼室６内での燃焼が完全燃焼である場合に、燃焼室６内からの排出ガスに含まれる有害なＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの３成分を同時に酸化還元して浄化する。三元触媒１２を通過した排出ガスは、大気中へ放出される。
【００１７】
燃焼制御装置９は、エンジン筒２に設けられ燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）１３と、第１の燃料２０をインジェクタ１３へ供給する第１の燃料供給装置１４と、第２の燃料２１をインジェクタ１３へ供給する第２の燃料供給装置１５と、燃焼室６内へ吸入される空気（吸入ガス）の量を調整する吸気量調整装置１６と、燃焼室６内での吸入ガスの流動を調整する吸気流動調整装置１７と、エンジン１の運転状態を検出するセンサ装置（検出部）１８と、センサ装置１８からの情報に基づいて、インジェクタ１３、第１の燃料供給装置１４、第２の燃料供給装置１５、吸気量調整装置１６及び吸気流動調整装置１７のそれぞれを制御するコントローラ（制御部）１９とを有している。
【００１８】
第１の燃料２０と第２の燃料２１とは、互いに異なる特性を持つ燃料とされている。第２の燃料２１は、第１の燃料２０よりもアンチノック性の高い燃料とされている。第１の燃料２０としては、例えばガソリン等が用いられる。第２の燃料２１としては、例えば水素ガス、軽油、ジエチルエーテル又はアルコール燃料等が用いられる。
【００１９】
第１の燃料供給装置１４は、第１の燃料２０を溜める第１の燃料タンク２２と、第１の燃料２０を昇圧搬送する動力を発生する第１の燃料ポンプ２３と、第１の燃料ポンプ２３の動力により昇圧搬送される第１の燃料２０を第１の燃料タンク２２からインジェクタ１３へ導く第１の燃料管２４とを有している。なお、第１の燃料供給装置１４では、第１の燃料２０をさらに昇圧するために、第１の燃料管２４における第１の燃料ポンプ２３からインジェクタ１３までの間の中間位置に昇圧補助用の燃料ポンプを設けてもよい。
【００２０】
第２の燃料供給装置１５は、第２の燃料２１を溜める第２の燃料タンク２５と、第２の燃料２１を昇圧搬送する動力を発生する第２の燃料ポンプ２６と、第２の燃料ポンプ２６の動力により昇圧搬送される第２の燃料２１を第２の燃料タンク２５からインジェクタ１３へ導く第２の燃料管２７とを有している。なお、第２の燃料供給装置１５でも、第２の燃料２１をさらに昇圧するために、第２の燃料管２７における第２の燃料ポンプ２６からインジェクタ１３までの間の中間位置に昇圧補助用の燃料ポンプを設けてもよい。
【００２１】
インジェクタ１３は、第１の燃料供給装置１４からの第１の燃料２０と、第２の燃料供給装置１５からの第２の燃料２１とを混合し、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合により生成した混合燃料２８を霧状にして燃焼室６内に直接噴射する。また、インジェクタ１３は、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合比率を調整可能になっている。インジェクタ１３の調整可能な混合比率（第１の燃料２０：第２の燃料２１）の範囲は、１：０〜１：１の範囲とされている。燃焼室６内では、ピストン３の往復移動に応じたタイミングで混合燃料２８がインジェクタ１３から燃焼室６内に噴射されることにより予混合圧縮着火燃焼が行われる。
【００２２】
吸気量調整装置１６は、吸気管７内の流路の断面積を調整するスロットルバルブ（流量調整バルブ）２９と、スロットルバルブ２９の開閉量を制御するスロットルアクチュエータ３０とを有している。燃焼室６内への吸入ガスの量は、スロットルバルブ２９の開閉量の調整により調整される。スロットルアクチュエータ３０には、スロットルバルブ２９を変位させる動力を発生するＤＣモータやステッピングモータ等が含まれている。
【００２３】
吸気流動調整装置１７は、燃焼室６内に吸入ガスのスワール流動を形成するスワール流動制御バルブ３１と、燃焼室６内に吸入ガスのタンブル流動を形成するタンブル流動制御バルブ３２と、スワール流動制御バルブ３１及びタンブル流動制御バルブ３２を個別に動作させる図示しないアクチュエータとを有している。燃焼室６内には、スワール流動制御バルブ３１及びタンブル流動制御バルブ３２をエンジン１の運転状態に応じて個別に動作させることにより、吸入ガスのスワール流動及びタンブル流動が選択的に形成される。
【００２４】
ここで、図２は、図１の吸気流動調整装置１７を示す拡大図である。また、図３は、図２の吸気流動調整装置１７を示す上面図である。吸気管７は、エンジン筒２にそれぞれ接続された一対の分岐管３３を有している。各分岐管３３は、エンジン筒２の周方向へ互いに離して設けられた２つの吸気口７ａを介して燃焼室６内に個別に連通されている。従って、各分岐管３３からの吸入ガスは、各吸気口７ａを通って燃焼室６内へ個別に導かれる。各吸気口７ａは、互いに異なる吸気弁１０により開閉される。
【００２５】
スワール流動制御バルブ３１は、一方及び他方の分岐管３３のうち、一方の分岐管３３内にのみ設けられている。これにより、スワール流動制御バルブ３１が開いているときには各分岐管３３内のそれぞれを吸入ガスが流れ、スワール流動制御バルブ３１が閉じているときには他方の分岐管３３内にのみ吸入ガスが流れる。燃焼室６内には、他方の分岐管３３内にのみ吸入ガスが流れることにより、図３の矢印Ｙで示すような吸入ガスのスワール流動が形成される。
【００２６】
各分岐管３３には、図２に示すように、分岐管３３内を上下に分割して上流路３５と下流路３６とを形成する仕切り板３４がそれぞれ設けられている。各仕切り板３４は、分岐管３３の長さ方向に沿って配置されている。また、一方の仕切り板３４は、スワール流動制御バルブ３１の位置よりも燃焼室６に近い位置（即ち、吸入ガスの流れの方向についてスワール流動制御バルブ３１の位置よりも下流側の位置）に配置されている。
【００２７】
タンブル流動制御バルブ３２は、各分岐管３３のそれぞれに設けられている。また、各タンブル流動制御バルブ３２は、上流路３５及び下流路３６のうち、下流路３６にのみ設けられている。これにより、各タンブル流動制御バルブ３２が開いているときには上流路３５内及び下流路３６内のそれぞれを吸入ガスが流れ、タンブル流動制御バルブ３２が閉じているときには上流路３５内にのみ吸入ガスが流れる。燃焼室６内には、上流路３５内にのみ吸入ガスが流れることにより、図２の矢印Ｘで示すような吸入ガスのタンブル流動が形成される。
【００２８】
図４は、図１のインジェクタ１３を示す断面図である。インジェクタ１３は、第１の燃料管２４が接続されたインジェクタ本体３７と、第２の燃料管２７が接続され、インジェクタ本体３７に接続された燃料調整装置３８とを有している。第１の燃料２０は、第１の燃料管２４からインジェクタ本体３７へ直接供給される。第２の燃料２０は、第２の燃料管２７から燃料調整装置３８を介してインジェクタ本体３７へ供給される。
【００２９】
インジェクタ本体３７は、第１の燃料２０が供給される第１の流路３９及び第２の燃料２１が供給される第２の流路４０が設けられたインジェクタ胴部（燃料噴射装置胴部）４１と、第１の燃料２０及び第２の燃料２１を混合して混合燃料２８とする燃料混合部４２と、燃料混合部４２からの混合燃料２８を噴射する噴射口４３が設けられたバルブシート４４と、バルブシート４４に対して接離することにより噴射口４３を開閉するニードル４５と、バルブシート４４に接触する方向へニードル４５を付勢する付勢ばね（付勢体）４６と、付勢ばね４６の付勢力に逆らって、バルブシート４４から離れる方向へニードル４５を変位させる電磁コイル４７とを有している。
【００３０】
第１の流路３９は、インジェクタ胴部４１を貫通している。第１の流路３９の一端部には、第１の燃料管２４が接続されている。これにより、第１の流路３９の一端部の開口部３９ａは、第１の燃料管２４からの第１の燃料２０の供給口とされている。第１の流路３９の他端部の開口部３９ｂは、バルブシート４４で塞がれている。第１の流路３９の断面形状は、円形とされている。
【００３１】
第２の流路４０の一端部は第１の流路３９の内面に接続され、第２の流路４０の他端部は燃料調整装置３８に接続されている。第１の流路３９の内面には、第２の流路４０の一端部の開口部が設けられている。燃料調整装置３８からの第２の燃料２１は、第２の流路４０を通して第１の流路３９内へ導かれる。第２の流路４０には、第１の流路３９からの燃料の逆流を阻止する逆止弁４８が設けられている。
【００３２】
燃料混合部４２は、第１の流路３９内に配置されたスワーラチップ４９を有している。スワーラチップ４９は、その中心軸線を第１の流路３９の長さ方向に一致させて配置されている。スワーラチップ４９の中心軸線上には、ニードル４５を通すガイド用貫通孔５０が設けられている。ニードル４５は、ガイド用貫通孔５０の内面に案内されながら、バルブシート４４に接離する方向へ変位される。スワーラチップ４９は、バルブシート４４に接触した状態で第１の流路３９内に配置されている。バルブシート４４には噴射口４３に向けて傾斜する傾斜面が形成されている。従って、スワーラチップ４９とバルブシート４４との間には隙間が生じている。
【００３３】
ここで、図５は、図４のスワーラチップ４９を示す斜視図である。また、図６は、図４のスワーラチップ４９を示す平面図である。スワーラチップ４９の外周部には、第１の流路３９の内面に対向する複数の対向面５１が形成されている。各対向面５１の境界には、スワーラチップ４９の中心軸線と平行な稜線５２がそれぞれ形成されている。これにより、スワーラチップ４９の形状は多角柱とされている。この例では、スワーラチップ４９の形状が正六角柱とされている。
【００３４】
スワーラチップ４９は、各稜線５２を第１の流路３９の内面に接触させた状態で第１の流路３９内に配置されている。これにより、スワーラチップ４９と第１の流路３９の内面との間には、複数の分割流路５３が設けられている。各分割流路５３は、対向面５１と第１の流路３９の内面との間にそれぞれ形成されている。この例では、６本の分割流路５３がスワーラチップ４９と第１の流路３９の内面との間に形成されている。第１の燃料２０は、供給口３９ａから第１の流路３９内を流れて、各分割流路５３内に分かれて流入する。
【００３５】
各対向面５１のうち少なくともいずれかには、図４に示すように、第２の流路４０の開口部が対向している。これにより、第２の燃料２１は、分割流路５３内の少なくともいずれかに第２の流路４０から直接注入される。各分割流路５３内から流出する燃料は、スワーラチップ４９とバルブシート４４との間の隙間で互いに混合される。
【００３６】
この例では、第２の流路４０が３つに分岐されて第１の流路３９に接続されている。スワーラチップ４９と第１の流路３９の内面との間には、第２の燃料２１が注入される分割流路５３と、第２の燃料２１が注入されない分割流路５３とが交互に形成されている。
【００３７】
スワーラチップ４９のバルブシート４４側の面には、図５及び図６に示すように、各分割流路５３からの燃料を旋回させながら噴射口４３へ導く複数（この例では、６本）の旋回用溝５４が設けられている。各旋回用溝５４は、スワーラチップ４９の中心軸線に沿ってスワーラチップ４９を見たときに、スワーラチップ４９の中心軸線を中心とする円に接する方向へ各対向面５１から延びて形成されている。即ち、各旋回用溝５４は、スワーラチップ４９の中心軸線に向けずにオフセットさせてスワーラチップ４９に形成されている。これにより、各分割流路５３から流出した燃料は、スワーラチップ４９とバルブシート４４との間の隙間でスワーラチップ４９の中心軸線の周囲を旋回する方向へ導かれる。
【００３８】
図７は、図４のバルブシート４４及びニードル４５を示す斜視図である。各分割流路５３からの燃料は、矢印Ｚで示す方向へ旋回されることにより互いに混合されて混合燃料２８とされる。混合燃料２８は、バルブシート４４の傾斜面に沿って旋回されながら噴射口４３へ導かれる。噴射口４３に達した混合燃料２８は、共通の噴射口４３を通って霧状となって燃焼室６内に噴射される。
【００３９】
ニードル４５は、図４に示すように、スワーラチップ４９のガイド用貫通孔５０に通された状態で第１の流路３９内に設けられている。また、ニードル４５は、バルブシート４４に接触することにより噴射口４３を閉じ、バルブシート４４から離れることにより噴射口４３を開く。
【００４０】
付勢ばね４６は、第１の流路３９内に配置されている。また、付勢ばね４６は、弾性反発力を発生することにより、バルブシート４４に接触する方向へニードル４５を付勢している。
【００４１】
電磁コイル４７は、通電されることにより、付勢ばね４６の付勢力に逆らってニードル４５を吸引する電磁吸引力を発生する。電磁コイル４７への通電が行われると、ニードル４５は電磁コイル４７の電磁吸引力によりバルブシート４４から離れる方向へ変位される。また、電磁コイル４７への通電が停止されると、ニードル４５は付勢ばね４６の付勢力によりバルブシート４４に接触する方向へ変位される。
【００４２】
燃料調整装置３８は、第２の燃料管２７内からの第２の燃料２１を第２の流路４０内へ導く燃料導入路５５が設けられた燃料制御装置胴部５６と、燃料導入路５５内と第２の燃料２１とを連通するニードル用穴５７が設けられた燃料制御用バルブシート５８と、燃料制御用バルブシート５８に対して接離することによりニードル用穴５７を開閉する燃料制御用ニードル５９と、燃料制御用バルブシート５８に接触する方向へ燃料制御用ニードル５９を付勢する付勢ばね（付勢体）６０と、付勢ばね６０の付勢力に逆らって、燃料制御用バルブシート５８から離れる方向へ燃料制御用ニードル５９を変位させる電磁コイル６１とを有している。
【００４３】
燃料制御用ニードル５９は、電磁コイル６１への通電が行われると燃料制御用バルブシート５８から離れる方向へ変位され、電磁コイル６１への通電が停止されると燃料制御用バルブシート５８に接触する方向へ変位される。また、燃料制御用ニードル５９は、燃料制御用バルブシート５８に接触することによりニードル用穴５７を閉じ、燃料制御用バルブシート５８から離れることによりニードル用穴５７を開く。燃料導入路５５内から第２の流路４０内への第２の燃料２１の供給は、ニードル用穴５７が開くことにより行われる。
【００４４】
センサ装置１８は、図１に示すように、運転者により操作されるアクセルペダル６２の踏み込み位置に応じた信号（電気信号）を発生するアクセルポジションセンサ６３と、クランクシャフト４の回転に応じた信号（パルス）を発生するエンジン回転数センサ６４とを有している。
【００４５】
エンジン回転数センサ６４は、クランクシャフト４が一回転する間に、クランクシャフト４の回転角度に応じた特定数のパルスを発生する。また、エンジン回転数センサ６４は、ピストン３の位置が上死点又は下死点となるクランクシャフト４の回転位置でもパルスを発生する。
【００４６】
コントローラ１９は、アクセルポジションセンサ６３及びエンジン回転数センサ６４のそれぞれからの情報をエンジン１の運転状態の情報として受け、受けた情報に基づいて、エンジン１の出力（負荷）及び回転数を求める。また、コントローラ１９は、求めたエンジン１の出力及び回転数に応じた制御を、インジェクタ１３、第１の燃料供給装置１４、第２の燃料供給装置１５、吸気量調整装置１６及び吸気流動調整装置１７のそれぞれに対して行う。
【００４７】
図８は、図１の燃焼室６内で第１の燃料２０、第２の燃料２１及び混合燃料２８のそれぞれを用いて予混合圧縮着火燃焼を行ったときの熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の挙動を示すグラフである。図８のグラフは、図１のクランクシャフト４の回転角度（クランク角度θ）と、燃焼室６内での熱発生率との関係を示している。なお、熱発生率は、クランク角度の単位角度当たりの発生熱量である。
【００４８】
図８に示すように、第１の燃料２０を用いたときの熱発生率の挙動６５は、クランク角度の比較的早いタイミングで燃焼が完了している。第２の燃料２１を用いたときの熱発生率の挙動６６は、第１の燃料２０を用いたときの熱発生率の挙動６５に比べて、燃焼開始のタイミングが大きく遅れている。
【００４９】
ここで、軽負荷運転状態では、予混合気の空燃比がリーン（希薄）であるので、第１の燃料２０を用いたときの熱発生率の挙動６５に示される早期着火や高速燃焼が生じても、燃焼室６内の圧力の上昇はノッキングの発生限界よりも低く抑えられる。しかし、低負荷運転状態から高負荷運転状態に移行すると、第１の燃料２０の噴射量の増加によって空燃比がリッチ化し、燃焼速度がノッキングの発生限界を超えてしまう。
【００５０】
混合燃料２８を用いたときの熱発生率の挙動６７は、第１の燃料２０を用いたときの熱発生率の挙動６５と、第２の燃料２１を用いたときの熱発生率の挙動６６とを合成した挙動となっている。即ち、混合燃料２８を用いたときの熱発生率の挙動６７の特性は、第１の燃料２０と同様の着火性能を持ちながら、燃焼速度を遅くし燃焼期間も長くする第２の燃料２１の特性を持っている。これにより、高負荷運転状態で混合燃料２８を燃焼室６内に噴射しても、ノッキングは起こらず安定した燃焼が実現される。
【００５１】
図９は、図１のエンジン１が高負荷運転状態となっている場合に第１の燃料２０及び混合燃料２８のそれぞれを燃焼室６内に噴射したときの燃焼室６内の圧力（筒内圧力）の挙動を示すグラフ（指圧線図）である。図９のグラフは、クランク角度θと筒内圧力との関係を示している。なお、図９における時点Ｐは、ピストン３の位置が上死点となるタイミングを示している。
【００５２】
図９に示すように、第１の燃料２０を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６８では、着火直後の最高圧力が高く、膨張行程においてノッキング６８ａが発生している。これに対して、混合燃料２８を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６９では、着火直後の筒内圧力の上昇が緩慢で、第１の燃料２０を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６８に比べて最高圧力が低くなっている。また、燃焼期間も、混合燃料２８を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６９のほうが、第１の燃料２０を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６８よりも長くなっている。従って、筒内圧力の挙動６８，６９によるエンジン１の出力がほぼ同じでありながら、混合燃料２８を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６８はノッキングを起こさない安定した燃焼を実現していることが分かる。
【００５３】
図１０は、図１の燃焼室６内に吸入ガスのタンブル流動を形成するエンジン１の運転領域、吸入ガスのスワール流動を形成するエンジン１の運転領域、吸入ガスのスワール流動及びタンブル流動のいずれも形成しないエンジン１の運転領域を示すグラフである。図１０では、エンジン１の回転数を横軸とし、エンジン１の出力を縦軸として示している。なお、図１０では、エンジン１の最高出力とエンジン１の回転数との関係がライン７３として示されている。
【００５４】
エンジン１の低回転・低出力運転領域７０では、燃焼室６内への吸気ガスの供給量が少ない。従って、低回転・低出力運転領域７０では、燃焼室６内の空気の乱れを生じさせるために、吸気流動調整装置１７の動作によって吸入ガスのタンブル流動が燃焼室６内に形成される。
【００５５】
エンジン１の回転数及び出力がいずれも中程度の中間運転領域７１では、燃焼室６内への吸入ガスの供給量が増加するので、吸入ガスの乱れを抑えて均質分布を促進するために、吸気流動調整装置１７の動作によって吸入ガスのスワール流動が燃焼室６内に形成される。
【００５６】
エンジン１の高回転・高出力運転領域７２では、混合気形成及び均質分布の実現に対して燃焼室６内への吸入ガスの供給量が十分であるので、吸入ガスの抵抗増大による出力低下を抑制するために、吸気流動調整装置１７の動作によって吸入ガスのタンブル流動及びスワール流動のいずれの形成も停止される。
【００５７】
コントローラ１９は、センサ装置１８からの情報により求めたエンジン１の出力及び回転数に基づいて、エンジン１の運転状態の領域が低回転・低出力運転領域７０、中間運転領域７１及び高回転・高出力運転領域７２のいずれであるかを特定し、特定した運転領域に応じて、吸気流動調整装置１７の動作を制御する。
【００５８】
図１１は、図１のインジェクタ１３から噴射される混合燃料２８の第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合比率を決めるためのエンジン１の運転領域を示すグラフである。図１１では、エンジン１の回転数を横軸とし、エンジン１の出力を縦軸として示している。また、図１１では、図１０と同様に、エンジン１の最高出力とエンジン１の回転数との関係がライン７３として示されている。
【００５９】
エンジン１の低負荷運転領域７４では、燃焼室６内に噴射される燃料が少ないので、燃焼室６内に形成される混合気はリーン状態となっている。従って、低負荷運転領域７４では、燃焼室６内に噴射される燃料が第１の燃料２０のみであっても、燃焼室６内での予混合圧縮着火燃焼が成立する。このことから、低負荷運転領域７４では、第２の燃料２１が第１の燃料２０と混合されて混合燃料２８とされることはなく、第１の燃料２０のみが燃焼室６内に噴射される。
【００６０】
エンジン１の全運転領域のうち、低負荷運転領域７４を除く中高負荷運転領域７５では、燃焼室６内に噴射される燃料が第１の燃料２０のみであるとノッキングが発生する。従って、中高負荷運転領域７５では、混合燃料２８がインジェクタ１３から燃焼室６内に噴射される。これにより、ノッキングの発生が抑制される。
【００６１】
混合燃料２８における第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率は、エンジン１の負荷の大きさに応じて調整される。即ち、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率は、エンジン１の負荷の大きさが大きくなるに従って、第１の燃料２０に対する第２の燃料２１の割合が大きくなるように調整される。この例では、中高負荷運転領域７５を区分して、負荷の大きさが連続的に大きくなる第１〜第５の区分負荷領域７６〜８０を設定し、第１の区分負荷領域７６で１：０．２、第２の区分負荷領域７７で１：０．４、第３の区分負荷領域７８で１：０．６、第４の区分負荷領域７９で１：０．８、第５の区分負荷領域８０で１：１となるように第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率（第１の燃料２０：第２の燃料２１）を調整している。
【００６２】
第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率の調整は、コントローラ１９によるインジェクタ本体３７及び燃料調整装置３８のそれぞれの制御により行われる。即ち、コントローラ１９は、混合燃料２８を噴射する噴射口４３の開時間（即ち、燃焼室６内への混合燃料２８の噴射時間）と、第２の燃料２１を第２の流路４０へ流入させるニードル用穴５７の開時間（即ち、第２の流路４０への第２の燃料２１の供給時間）とを調整することにより、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率を調整する。
【００６３】
コントローラ１９は、インジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力により噴射口４３を開き、インジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力の停止により噴射口４３を閉じる。また、コントローラ１９は、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力によりニードル用穴５７を開き、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力の停止によりニードル用穴５７を閉じる。
【００６４】
図１２は、図１のコントローラ１９からインジェクタ本体３７及び燃料調整装置３８のそれぞれへの弁駆動信号の出力時間を示すグラフであり、図１２（ａ）はインジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力時間を示すグラフ、図１２（ｂ）は燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力時間を示すグラフである。
【００６５】
図１２に示すように、インジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力時間をａ（msec）、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力時間をｂ（msec）とすると、噴射口４３から噴射される混合燃料２８に含まれる第１の燃料２０の量Ａ（mg）は式（１）により表され、噴射口４３から噴射される混合燃料２８に含まれる第２の燃料２１の量Ｂ（mg）は式（２）により表される。
【００６６】
Ａ＝ｂ×ｒｉ／２＋（ａ−ｂ）×ｒｉ＝（ａ−ｂ／２）×ｒｉ…（１）
Ｂ＝ｂ×ｒｉ／２…（２）
【００６７】
ここで、ｒｉは、噴射口４３から噴射される混合燃料２８の燃料噴射率（mg/msec）である。また、混合燃料２８の噴射量Ｔｉｎｊ（mg）は、式（３）により表される。
【００６８】
Ｔｉｎｊ＝Ａ＋Ｂ＝ａ×ｒｉ…（３）
【００６９】
この例では、第１の燃料２０及び第２の燃料２１のそれぞれの供給圧力は一定値に設定されている。従って、インジェクタ本体３７及び燃料調整装置３８のそれぞれへの弁駆動信号の出力を同時に開始するタイミングでは、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の各燃料噴射率は、それぞれｒｉ／２（mg/msec）となる。
【００７０】
従って、式（２）及び式（３）から、混合燃料２８に対する第２の燃料２１の割合Ｃは、式（４）により表される。
【００７１】
Ｃ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）＝ｂ／（２×ａ）…（４）
【００７２】
式（４）より、混合燃料２８における第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率は、燃焼室６内への混合燃料２８の噴射時間に対して、インジェクタ本体３７への第２の燃料２１の供給時間を調整することにより、調整可能であることが分かる。
【００７３】
コントローラ１９は、センサ装置１８からの情報により求めたエンジン１の出力及び回転数に基づいて、エンジン１の運転状態の領域が図１１の運転領域のいずれに属するかを特定し、特定した領域に応じた混合燃料２８の混合比率になるように、インジェクタ本体３７及び燃料調整装置３８のそれぞれの動作を制御する。
【００７４】
図１３は、図１のコントローラ１９が燃料噴射の調整を行うときの動作を説明するためのフローチャートである。コントローラ１９は、センサ装置１８からの情報を受けると、センサ装置１８からの情報に基づいて、エンジン１の出力及び回転数を求め、求めたエンジン１の出力及び回転数に基づいて、エンジン１の運転領域を特定する（Ｓ１）。
【００７５】
この後、コントローラ１９は、特定した運転領域での運転を維持するための燃焼室６内への燃料噴射量Ｔｉｎｊと、インジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力時間（即ち、燃焼室６内への燃料噴射時間）ａとを算出する（Ｓ２）。
【００７６】
この後、コントローラ１９は、ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が図１１の低負荷運転領域７４及び中高負荷運転領域７５のいずれの領域に属するかを判定する（Ｓ３）。
【００７７】
ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が中高負荷運転領域７５に属すると判定した場合には、コントローラ１９は、エンジン１の運転領域が図１１の第１〜第５の区分負荷領域７６〜８０のいずれの領域に属するかを特定し、特定した領域に応じて、混合燃料２８に対する第２の燃料２１の割合Ｃを求める（Ｓ４）。
【００７８】
この後、コントローラ１９は、求めた割合Ｃに基づいて、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力時間（即ち、第２の燃料２１のインジェクタ本体３７への供給時間）ｂ（＝Ｃ×２×ａ）を求める（Ｓ５）。
【００７９】
一方、ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が低負荷運転領域７４に属すると判定した場合、コントローラ１９は、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力時間ｂをゼロとし、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力の停止を維持する（Ｓ６）。
【００８０】
この後、コントローラ１９は、ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が図１０の低回転・低出力運転領域７０に属するか否かを判定する（Ｓ７）。
【００８１】
低回転・低出力運転領域７０に属する場合には、コントローラ１９は、タンブル流動制御バルブ３２を閉じる制御を行う（Ｓ８）。これにより、燃焼室６内には、吸入ガスのタンブル流動が形成される。
【００８２】
低回転・低出力運転領域７０に属さない場合、コントローラ１９は、ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が図１０の中間運転領域７１に属するか否かを判定する（Ｓ９）。
【００８３】
中間運転領域７１に属する場合には、コントローラ１９は、スワール流動制御バルブ３１を閉じる制御を行う（Ｓ１０）。これにより、燃焼室６内には、吸入ガスのスワール流動が形成される。
【００８４】
中間運転領域７１に属さない場合、コントローラ１９は、スワール流動制御バルブ３１及びタンブル流動制御バルブ３２をいずれも開く制御を行う（Ｓ１１）。
【００８５】
このような内燃機関の燃焼制御装置９では、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合により生成された混合燃料２８を共通の噴射口４３から燃焼室６内へ直接噴射するので、第１の燃料２０と第２の燃料２１とが燃焼室６内で成層化してしまうことを防止することができ、均質な混合気を燃焼室６内に常に安定して形成することができる。また、互いに異なる着火性能及びアンチノック性能を持つ第１の燃料２０及び第２の燃料２１を混合して混合燃料２８を生成することにより、互いに異なる運転状態に対して安定した燃焼を継続することができる。従って、低負荷運転状態から高負荷運転状態までの幅広い運転状態において予混合圧縮着火燃焼を効率良くかつ安定して継続させることができる。
【００８６】
また、スワール流動制御バルブ３１の制御により吸入ガスのスワール流動を燃焼室６内に形成し、タンブル流動制御バルブ３２の制御により吸入ガスのタンブル流動を燃焼室６内に形成するので、燃焼室６内における吸入ガスの流動の形成をエンジン１の運転状態に応じて調整することができ、エンジン１の運転状態に応じた混合気を燃焼室６内に形成することができる。従って、幅広い運転状態における予混合圧縮着火燃焼をさらに効率良く継続させることができる。
【００８７】
また、インジェクタ１３は、第１の燃料２０が供給される第１の流路３９及び第２の燃料２１が供給される第２の流路４０がインジェクタ胴部４１に設けられ、第２の流路４０への第２の燃料２１の供給が燃料調整装置３８により調整されるので、混合燃料２８に含まれる第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率を簡単な構成で調整することができる。
【００８８】
また、第１の燃料２０と第２の燃料２１とを混合する燃料混合部４２は、第１の流路３９内に配置された多角柱のスワーラチップ４９を有し、スワーラチップ４９には、スワーラチップ４９と第１の流路３９の内面との間に形成された複数の分割流路５３からの燃料を旋回させながら混合する複数の旋回用溝５４が設けられているので、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合をより確実にすることができ、より均質な混合燃料２８をインジェクタ本体３７内で生成することができる。
【００８９】
また、コントローラ１９は、第２の流路４０への第２の燃料２１の供給時間と噴射口４３の開時間とを調整することにより、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率を調整するので、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率の調整を簡単な制御で行うことができる。
【００９０】
なお、上記の例では、スワーラチップ４９の形状が六角形となっているが、これに限定されず、スワーラチップ４９の形状を例えば三角形や四角形、八角形等としてもよい。
【００９１】
また、上記の例では、複数の分割流路５３のうち、一部の分割流路５３にのみ第２の燃料２１が注入されるようになっているが、複数の分割流路５３の少なくともいずれかに第２の燃料２１が注入されるようになっていればよく、例えば１本の分割流路５３のみに第２の燃料２１を注入してもよいし、すべての分割流路５３に第２の燃料２１を注入するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１ エンジン（内燃機関）、６ 燃焼室、１３ インジェクタ（燃料噴射装置）、１８ センサ装置（検出部）、１９ コントローラ（制御部）、２０ 第１の燃料、２１ 第２の燃料、２８ 混合燃料、３１ スワール流動制御バルブ、３２ タンブル流動制御バルブ、３３ 分岐管、３４ 仕切り板、３５ 上流路、３６ 下流路、３９ 第１の流路、４０ 第２の流路、４１ インジェクタ胴部（燃料噴射装置胴部）、４２ 燃料混合部、４３ 噴射口、４４ バルブシート、４５ ニードル、４９ スワーラチップ、５１ 対向面、５２ 稜線、５３ 分割流路、５４ 旋回用溝。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の燃焼室内における予混合圧縮着火燃焼を制御する内燃機関の燃焼制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃費を向上させるために、吸気行程で燃料を噴射して混合気を生成し、圧縮行程の高温高圧状態で混合気を自己着火させて予混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関が知られている。このような従来の内燃機関では、燃料が吸気行程で噴射されるので、混合気の濃度の低いリーン状態で燃焼を行うときには、均質な混合気を形成するのに十分な時間が確保され、圧縮行程の後半には混合気中に過濃領域がほとんど存在しなくなる。このため、燃焼温度が低くなってサーマルＮＯｘの生成を抑制することができ、ＮＯｘ浄化触媒の装着を不要にすることができる。このことから、予混合圧縮着火燃焼の方式が次世代の燃焼方式として開発が進められている。
【０００３】
予混合圧縮着火燃焼では、圧縮行程における混合気の温度が自己着火温度よりも低ければ混合気が着火されることはない。従って、従来、混合気の温度を上昇させるために、内燃機関の圧縮比を大きくする方法や、吸排気バルブの開閉タイミングを調整して高温の残留ガスを気筒内に残す方法、吸気を電気ヒータで加熱する方法等が用いられることがある。これにより、従来では、混合気の濃度の低い低負荷運転状態において、安定した予混合圧縮着火燃焼を実現している。
【０００４】
しかし、混合気の濃度が高くなる高負荷運転状態では、自己着火温度が低く、着火すると燃焼速度が速くなるので、異常昇圧によるノッキングが発生し、予混合圧縮着火燃焼を継続することができなくなってしまう。高負荷運転状態で予混合圧縮着火燃焼を成立させるためには、過早着火の抑制と燃焼速度の低減とが必要になる。
【０００５】
従来、高負荷運転状態でのノッキングの発生を抑制するために、通常の火花点火燃焼の状態から予混合圧縮着火燃焼の状態へ切り替えるときに、ガソリンと空気との混合気に水を噴射して予混合圧縮着火燃焼の過早着火を抑制する内燃機関の制御装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
また、従来、高負荷運転状態でのノッキングの発生を抑制するために、互いに異なる特性を持つ２種類の燃料を内燃機関の運転状態に応じて供給するバイフューエル技術も提案されている。従来、第１のインジェクタからガソリンを第１の燃料として噴射してガソリンと空気との混合気を形成した後、第２のインジェクタから水素ガス、ジエチルエーテル又は軽油を第２の燃料として燃焼室内に噴射する内燃機関も提案されている（例えば特許文献２〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１７０８２号公報
【特許文献２】特開２００４−１００５０１号公報
【特許文献３】特開２００８−２８６１１０号公報
【特許文献４】特開２００９−６８４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に示されている内燃機関では、ガソリンと空気との混合気が形成された後に水を噴射するので、混合気全体に水が行渡らないおそれがある。また、特許文献２〜４に示されている内燃機関では、第１の燃料を噴射する第１のインジェクタと、第２の燃料を噴射する第２のインジェクタとが互いに異なる位置に配置されているので、第１の燃料の混合気の形成と第２の燃料の混合気の形成とが個別に進んだ状態で混合されることとなる。このため、安定して均質な混合気を常に形成することが難しく、第１の燃料と第２の燃料とが成層化する部分が残ってしまう。従って、従来の内燃機関では、燃料の混合の効果を十分に引き出すことができず、高負荷運転状態になるとノッキングの発生を十分に抑制することができなくなってしまう。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、低負荷運転状態から高負荷運転状態までの幅広い運転状態において予混合圧縮着火燃焼を効率良くかつ安定して継続させることができる内燃機関の燃焼制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る内燃機関の燃焼制御装置は、内燃機関の燃焼室内での予混合圧縮着火燃焼を制御する内燃機関の燃焼制御装置であって、第１の燃料及び第２の燃料の混合比率を調整可能で、第１の燃料と第２の燃料との混合により生成された混合燃料を共通の噴射口から燃焼室内へ直接噴射する燃料噴射装置、内燃機関の運転状態を検出する検出部、及び検出部からの情報に基づいて燃料噴射装置を制御することにより、第１の燃料及び第２の燃料の混合比率を調整する制御部を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る内燃機関の燃焼制御装置では、第１の燃料と第２の燃料との混合により生成された混合燃料を共通の噴射口から燃焼室内へ直接噴射するので、第１の燃料と第２の燃料とが燃焼室内で成層化してしまうことを防止することができ、均質な混合気を燃焼室内に常に安定して形成することができる。また、互いに異なる着火性能及びアンチノック性能を持つ第１の燃料及び第２の燃料を混合して混合燃料を生成することにより、互いに異なる運転状態に対して安定した燃焼を継続することができる。従って、低負荷運転状態から高負荷運転状態までの幅広い運転状態において予混合圧縮着火燃焼を効率良くかつ安定して継続させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による内燃機関を示す構成図である。
【図２】図１の吸気流動調整装置を示す拡大図である。
【図３】図２の吸気流動調整装置を示す上面図である。
【図４】図１のインジェクタを示す断面図である。
【図５】図４のスワーラチップを示す斜視図である。
【図６】図４のスワーラチップを示す平面図である。
【図７】図４のバルブシート及びニードルを示す斜視図である。
【図８】図１の燃焼室内で第１の燃料、第２の燃料及び混合燃料のそれぞれを用いて予混合圧縮着火燃焼を行ったときの熱発生率の挙動を示すグラフである。
【図９】図１のエンジンが高負荷運転状態となっている場合に第１の燃料及び混合燃料のそれぞれを燃焼室内に噴射したときの燃焼室内の圧力（筒内圧力）の挙動を示すグラフ（指圧線図）である。
【図１０】図１の燃焼室内に吸入ガスのタンブル流動を形成するエンジンの運転領域、吸入ガスのスワール流動を形成するエンジンの運転領域、吸入ガスのスワール流動及びタンブル流動のいずれも形成しないエンジンの運転領域を示すグラフである。
【図１１】図１のインジェクタから噴射される混合燃料の第１の燃料及び第２の燃料の混合比率を決めるためのエンジンの運転領域を示すグラフである。
【図１２】図１のコントローラからインジェクタ本体及び燃料調整装置のそれぞれへの弁駆動信号の出力時間を示すグラフである。
【図１３】図１のコントローラが燃料噴射の調整を行うときの動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による内燃機関を示す構成図である。図において、エンジン（内燃機関）１は、エンジン筒２と、エンジン筒２内を摺動しながら往復移動されるピストン３と、ピストン３の往復移動に応じて回転されるクランクシャフト４と、ピストン３とクランクシャフト４とを接続する接続ロッド５と、エンジン筒２の内面とピストン３とで囲まれる燃焼室６内に吸気口７ａを介して連通され、燃焼室６内に吸入される空気（吸入ガス）を導く吸気管（吸気路）７と、燃焼室６内に排気口８ａを介して連通され、燃焼室６内から排出される既燃ガス（排出ガス）を外部へ導く排気管（排気路）８と、燃焼室６内での燃焼を制御する燃焼制御装置９とを有している。
【００１４】
エンジン筒２には、吸気口７ａを開閉する吸気弁１０と、排気口８ａを開閉する排気弁１１とが設けられている。吸気弁１０は、吸気口７ａを開くことにより燃焼室６内への吸気を可能とし、吸気口７ａを閉じることにより燃焼室６内への吸気を阻止する。排気弁１１は、排気口８ａを開くことにより燃焼室６内からの排気を可能とし、排気口８ａを閉じることにより燃焼室６内からの排気を阻止する。
【００１５】
ピストン３は、エンジン筒２内で往復移動することにより、吸気管７から燃焼室６内への吸気と、燃焼室６内から排気管８への排気とを行う。燃焼室６内には、吸気口７ａからの吸入ガスと燃焼制御装置９からの燃料とが導入されて可燃燃料予混合気が形成される。また、燃焼室６内では、ピストン３の圧縮によって可燃燃料予混合気が自己着火されることにより予混合圧縮着火燃焼が行われる。ピストン３は、燃焼室６内での燃焼による圧力を受けることにより移動されて、クランクシャフト４を回転させる。
【００１６】
排気管８には、三元触媒１２が設けられている。三元触媒１２は、燃焼室６内での燃焼が完全燃焼である場合に、燃焼室６内からの排出ガスに含まれる有害なＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの３成分を同時に酸化還元して浄化する。三元触媒１２を通過した排出ガスは、大気中へ放出される。
【００１７】
燃焼制御装置９は、エンジン筒２に設けられ燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）１３と、第１の燃料２０をインジェクタ１３へ供給する第１の燃料供給装置１４と、第２の燃料２１をインジェクタ１３へ供給する第２の燃料供給装置１５と、燃焼室６内へ吸入される空気（吸入ガス）の量を調整する吸気量調整装置１６と、燃焼室６内での吸入ガスの流動を調整する吸気流動調整装置１７と、エンジン１の運転状態を検出するセンサ装置（検出部）１８と、センサ装置１８からの情報に基づいて、インジェクタ１３、第１の燃料供給装置１４、第２の燃料供給装置１５、吸気量調整装置１６及び吸気流動調整装置１７のそれぞれを制御するコントローラ（制御部）１９とを有している。
【００１８】
第１の燃料２０と第２の燃料２１とは、互いに異なる特性を持つ燃料とされている。第２の燃料２１は、第１の燃料２０よりもアンチノック性の高い燃料とされている。第１の燃料２０としては、例えばガソリン等が用いられる。第２の燃料２１としては、例えば水素ガス、軽油、ジエチルエーテル又はアルコール燃料等が用いられる。
【００１９】
第１の燃料供給装置１４は、第１の燃料２０を溜める第１の燃料タンク２２と、第１の燃料２０を昇圧搬送する動力を発生する第１の燃料ポンプ２３と、第１の燃料ポンプ２３の動力により昇圧搬送される第１の燃料２０を第１の燃料タンク２２からインジェクタ１３へ導く第１の燃料管２４とを有している。なお、第１の燃料供給装置１４では、第１の燃料２０をさらに昇圧するために、第１の燃料管２４における第１の燃料ポンプ２３からインジェクタ１３までの間の中間位置に昇圧補助用の燃料ポンプを設けてもよい。
【００２０】
第２の燃料供給装置１５は、第２の燃料２１を溜める第２の燃料タンク２５と、第２の燃料２１を昇圧搬送する動力を発生する第２の燃料ポンプ２６と、第２の燃料ポンプ２６の動力により昇圧搬送される第２の燃料２１を第２の燃料タンク２５からインジェクタ１３へ導く第２の燃料管２７とを有している。なお、第２の燃料供給装置１５でも、第２の燃料２１をさらに昇圧するために、第２の燃料管２７における第２の燃料ポンプ２６からインジェクタ１３までの間の中間位置に昇圧補助用の燃料ポンプを設けてもよい。
【００２１】
インジェクタ１３は、第１の燃料供給装置１４からの第１の燃料２０と、第２の燃料供給装置１５からの第２の燃料２１とを混合し、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合により生成した混合燃料２８を霧状にして燃焼室６内に直接噴射する。また、インジェクタ１３は、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合比率を調整可能になっている。インジェクタ１３の調整可能な混合比率（第１の燃料２０：第２の燃料２１）の範囲は、１：０〜１：１の範囲とされている。燃焼室６内では、ピストン３の往復移動に応じたタイミングで混合燃料２８がインジェクタ１３から燃焼室６内に噴射されることにより予混合圧縮着火燃焼が行われる。
【００２２】
吸気量調整装置１６は、吸気管７内の流路の断面積を調整するスロットルバルブ（流量調整バルブ）２９と、スロットルバルブ２９の開閉量を制御するスロットルアクチュエータ３０とを有している。燃焼室６内への吸入ガスの量は、スロットルバルブ２９の開閉量の調整により調整される。スロットルアクチュエータ３０には、スロットルバルブ２９を変位させる動力を発生するＤＣモータやステッピングモータ等が含まれている。
【００２３】
吸気流動調整装置１７は、燃焼室６内に吸入ガスのスワール流動を形成するスワール流動制御バルブ３１と、燃焼室６内に吸入ガスのタンブル流動を形成するタンブル流動制御バルブ３２と、スワール流動制御バルブ３１及びタンブル流動制御バルブ３２を個別に動作させる図示しないアクチュエータとを有している。燃焼室６内には、スワール流動制御バルブ３１及びタンブル流動制御バルブ３２をエンジン１の運転状態に応じて個別に動作させることにより、吸入ガスのスワール流動及びタンブル流動が選択的に形成される。
【００２４】
ここで、図２は、図１の吸気流動調整装置１７を示す拡大図である。また、図３は、図２の吸気流動調整装置１７を示す上面図である。吸気管７は、エンジン筒２にそれぞれ接続された一対の分岐管３３を有している。各分岐管３３は、エンジン筒２の周方向へ互いに離して設けられた２つの吸気口７ａを介して燃焼室６内に個別に連通されている。従って、各分岐管３３からの吸入ガスは、各吸気口７ａを通って燃焼室６内へ個別に導かれる。各吸気口７ａは、互いに異なる吸気弁１０により開閉される。
【００２５】
スワール流動制御バルブ３１は、一方及び他方の分岐管３３のうち、一方の分岐管３３内にのみ設けられている。これにより、スワール流動制御バルブ３１が開いているときには各分岐管３３内のそれぞれを吸入ガスが流れ、スワール流動制御バルブ３１が閉じているときには他方の分岐管３３内にのみ吸入ガスが流れる。燃焼室６内には、他方の分岐管３３内にのみ吸入ガスが流れることにより、図３の矢印Ｙで示すような吸入ガスのスワール流動が形成される。
【００２６】
各分岐管３３には、図２に示すように、分岐管３３内を上下に分割して上流路３５と下流路３６とを形成する仕切り板３４がそれぞれ設けられている。各仕切り板３４は、分岐管３３の長さ方向に沿って配置されている。また、一方の仕切り板３４は、スワール流動制御バルブ３１の位置よりも燃焼室６に近い位置（即ち、吸入ガスの流れの方向についてスワール流動制御バルブ３１の位置よりも下流側の位置）に配置されている。
【００２７】
タンブル流動制御バルブ３２は、各分岐管３３のそれぞれに設けられている。また、各タンブル流動制御バルブ３２は、上流路３５及び下流路３６のうち、下流路３６にのみ設けられている。これにより、各タンブル流動制御バルブ３２が開いているときには上流路３５内及び下流路３６内のそれぞれを吸入ガスが流れ、タンブル流動制御バルブ３２が閉じているときには上流路３５内にのみ吸入ガスが流れる。燃焼室６内には、上流路３５内にのみ吸入ガスが流れることにより、図２の矢印Ｘで示すような吸入ガスのタンブル流動が形成される。
【００２８】
図４は、図１のインジェクタ１３を示す断面図である。インジェクタ１３は、第１の燃料管２４が接続されたインジェクタ本体３７と、第２の燃料管２７が接続され、インジェクタ本体３７に接続された燃料調整装置３８とを有している。第１の燃料２０は、第１の燃料管２４からインジェクタ本体３７へ直接供給される。第２の燃料２０は、第２の燃料管２７から燃料調整装置３８を介してインジェクタ本体３７へ供給される。
【００２９】
インジェクタ本体３７は、第１の燃料２０が供給される第１の流路３９及び第２の燃料２１が供給される第２の流路４０が設けられたインジェクタ胴部（燃料噴射装置胴部）４１と、第１の燃料２０及び第２の燃料２１を混合して混合燃料２８とする燃料混合部４２と、燃料混合部４２からの混合燃料２８を噴射する噴射口４３が設けられたバルブシート４４と、バルブシート４４に対して接離することにより噴射口４３を開閉するニードル４５と、バルブシート４４に接触する方向へニードル４５を付勢する付勢ばね（付勢体）４６と、付勢ばね４６の付勢力に逆らって、バルブシート４４から離れる方向へニードル４５を変位させる電磁コイル４７とを有している。
【００３０】
第１の流路３９は、インジェクタ胴部４１を貫通している。第１の流路３９の一端部には、第１の燃料管２４が接続されている。これにより、第１の流路３９の一端部の開口部３９ａは、第１の燃料管２４からの第１の燃料２０の供給口とされている。第１の流路３９の他端部の開口部３９ｂは、バルブシート４４で塞がれている。第１の流路３９の断面形状は、円形とされている。
【００３１】
第２の流路４０の一端部は第１の流路３９の内面に接続され、第２の流路４０の他端部は燃料調整装置３８に接続されている。第１の流路３９の内面には、第２の流路４０の一端部の開口部が設けられている。燃料調整装置３８からの第２の燃料２１は、第２の流路４０を通して第１の流路３９内へ導かれる。第２の流路４０には、第１の流路３９からの燃料の逆流を阻止する逆止弁４８が設けられている。
【００３２】
燃料混合部４２は、第１の流路３９内に配置されたスワーラチップ４９を有している。スワーラチップ４９は、その中心軸線を第１の流路３９の長さ方向に一致させて配置されている。スワーラチップ４９の中心軸線上には、ニードル４５を通すガイド用貫通孔５０が設けられている。ニードル４５は、ガイド用貫通孔５０の内面に案内されながら、バルブシート４４に接離する方向へ変位される。スワーラチップ４９は、バルブシート４４に接触した状態で第１の流路３９内に配置されている。バルブシート４４には噴射口４３に向けて傾斜する傾斜面が形成されている。従って、スワーラチップ４９とバルブシート４４との間には隙間が生じている。
【００３３】
ここで、図５は、図４のスワーラチップ４９を示す斜視図である。また、図６は、図４のスワーラチップ４９を示す平面図である。スワーラチップ４９の外周部には、第１の流路３９の内面に対向する複数の対向面５１が形成されている。各対向面５１の境界には、スワーラチップ４９の中心軸線と平行な稜線５２がそれぞれ形成されている。これにより、スワーラチップ４９の形状は多角柱とされている。この例では、スワーラチップ４９の形状が正六角柱とされている。
【００３４】
スワーラチップ４９は、各稜線５２を第１の流路３９の内面に接触させた状態で第１の流路３９内に配置されている。これにより、スワーラチップ４９と第１の流路３９の内面との間には、複数の分割流路５３が設けられている。各分割流路５３は、対向面５１と第１の流路３９の内面との間にそれぞれ形成されている。この例では、６本の分割流路５３がスワーラチップ４９と第１の流路３９の内面との間に形成されている。第１の燃料２０は、供給口３９ａから第１の流路３９内を流れて、各分割流路５３内に分かれて流入する。
【００３５】
各対向面５１のうち少なくともいずれかには、図４に示すように、第２の流路４０の開口部が対向している。これにより、第２の燃料２１は、分割流路５３内の少なくともいずれかに第２の流路４０から直接注入される。各分割流路５３内から流出する燃料は、スワーラチップ４９とバルブシート４４との間の隙間で互いに混合される。
【００３６】
この例では、第２の流路４０が３つに分岐されて第１の流路３９に接続されている。スワーラチップ４９と第１の流路３９の内面との間には、第２の燃料２１が注入される分割流路５３と、第２の燃料２１が注入されない分割流路５３とが交互に形成されている。
【００３７】
スワーラチップ４９のバルブシート４４側の面には、図５及び図６に示すように、各分割流路５３からの燃料を旋回させながら噴射口４３へ導く複数（この例では、６本）の旋回用溝５４が設けられている。各旋回用溝５４は、スワーラチップ４９の中心軸線に沿ってスワーラチップ４９を見たときに、スワーラチップ４９の中心軸線を中心とする円に接する方向へ各対向面５１から延びて形成されている。即ち、各旋回用溝５４は、スワーラチップ４９の中心軸線に向けずにオフセットさせてスワーラチップ４９に形成されている。これにより、各分割流路５３から流出した燃料は、スワーラチップ４９とバルブシート４４との間の隙間でスワーラチップ４９の中心軸線の周囲を旋回する方向へ導かれる。
【００３８】
図７は、図４のバルブシート４４及びニードル４５を示す斜視図である。各分割流路５３からの燃料は、矢印Ｚで示す方向へ旋回されることにより互いに混合されて混合燃料２８とされる。混合燃料２８は、バルブシート４４の傾斜面に沿って旋回されながら噴射口４３へ導かれる。噴射口４３に達した混合燃料２８は、共通の噴射口４３を通って霧状となって燃焼室６内に噴射される。
【００３９】
ニードル４５は、図４に示すように、スワーラチップ４９のガイド用貫通孔５０に通された状態で第１の流路３９内に設けられている。また、ニードル４５は、バルブシート４４に接触することにより噴射口４３を閉じ、バルブシート４４から離れることにより噴射口４３を開く。
【００４０】
付勢ばね４６は、第１の流路３９内に配置されている。また、付勢ばね４６は、弾性反発力を発生することにより、バルブシート４４に接触する方向へニードル４５を付勢している。
【００４１】
電磁コイル４７は、通電されることにより、付勢ばね４６の付勢力に逆らってニードル４５を吸引する電磁吸引力を発生する。電磁コイル４７への通電が行われると、ニードル４５は電磁コイル４７の電磁吸引力によりバルブシート４４から離れる方向へ変位される。また、電磁コイル４７への通電が停止されると、ニードル４５は付勢ばね４６の付勢力によりバルブシート４４に接触する方向へ変位される。
【００４２】
燃料調整装置３８は、第２の燃料管２７内からの第２の燃料２１を第２の流路４０内へ導く燃料導入路５５が設けられた燃料制御装置胴部５６と、燃料導入路５５内と第２の燃料２１とを連通するニードル用穴５７が設けられた燃料制御用バルブシート５８と、燃料制御用バルブシート５８に対して接離することによりニードル用穴５７を開閉する燃料制御用ニードル５９と、燃料制御用バルブシート５８に接触する方向へ燃料制御用ニードル５９を付勢する付勢ばね（付勢体）６０と、付勢ばね６０の付勢力に逆らって、燃料制御用バルブシート５８から離れる方向へ燃料制御用ニードル５９を変位させる電磁コイル６１とを有している。
【００４３】
燃料制御用ニードル５９は、電磁コイル６１への通電が行われると燃料制御用バルブシート５８から離れる方向へ変位され、電磁コイル６１への通電が停止されると燃料制御用バルブシート５８に接触する方向へ変位される。また、燃料制御用ニードル５９は、燃料制御用バルブシート５８に接触することによりニードル用穴５７を閉じ、燃料制御用バルブシート５８から離れることによりニードル用穴５７を開く。燃料導入路５５内から第２の流路４０内への第２の燃料２１の供給は、ニードル用穴５７が開くことにより行われる。
【００４４】
センサ装置１８は、図１に示すように、運転者により操作されるアクセルペダル６２の踏み込み位置に応じた信号（電気信号）を発生するアクセルポジションセンサ６３と、クランクシャフト４の回転に応じた信号（パルス）を発生するエンジン回転数センサ６４とを有している。
【００４５】
エンジン回転数センサ６４は、クランクシャフト４が一回転する間に、クランクシャフト４の回転角度に応じた特定数のパルスを発生する。また、エンジン回転数センサ６４は、ピストン３の位置が上死点又は下死点となるクランクシャフト４の回転位置でもパルスを発生する。
【００４６】
コントローラ１９は、アクセルポジションセンサ６３及びエンジン回転数センサ６４のそれぞれからの情報をエンジン１の運転状態の情報として受け、受けた情報に基づいて、エンジン１の出力（負荷）及び回転数を求める。また、コントローラ１９は、求めたエンジン１の出力及び回転数に応じた制御を、インジェクタ１３、第１の燃料供給装置１４、第２の燃料供給装置１５、吸気量調整装置１６及び吸気流動調整装置１７のそれぞれに対して行う。
【００４７】
図８は、図１の燃焼室６内で第１の燃料２０、第２の燃料２１及び混合燃料２８のそれぞれを用いて予混合圧縮着火燃焼を行ったときの熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の挙動を示すグラフである。図８のグラフは、図１のクランクシャフト４の回転角度（クランク角度θ）と、燃焼室６内での熱発生率との関係を示している。なお、熱発生率は、クランク角度の単位角度当たりの発生熱量である。
【００４８】
図８に示すように、第１の燃料２０を用いたときの熱発生率の挙動６５は、クランク角度の比較的早いタイミングで燃焼が完了している。第２の燃料２１を用いたときの熱発生率の挙動６６は、第１の燃料２０を用いたときの熱発生率の挙動６５に比べて、燃焼開始のタイミングが大きく遅れている。
【００４９】
ここで、軽負荷運転状態では、予混合気の空燃比がリーン（希薄）であるので、第１の燃料２０を用いたときの熱発生率の挙動６５に示される早期着火や高速燃焼が生じても、燃焼室６内の圧力の上昇はノッキングの発生限界よりも低く抑えられる。しかし、低負荷運転状態から高負荷運転状態に移行すると、第１の燃料２０の噴射量の増加によって空燃比がリッチ化し、燃焼速度がノッキングの発生限界を超えてしまう。
【００５０】
混合燃料２８を用いたときの熱発生率の挙動６７は、第１の燃料２０を用いたときの熱発生率の挙動６５と、第２の燃料２１を用いたときの熱発生率の挙動６６とを合成した挙動となっている。即ち、混合燃料２８を用いたときの熱発生率の挙動６７の特性は、第１の燃料２０と同様の着火性能を持ちながら、燃焼速度を遅くし燃焼期間も長くする第２の燃料２１の特性を持っている。これにより、高負荷運転状態で混合燃料２８を燃焼室６内に噴射しても、ノッキングは起こらず安定した燃焼が実現される。
【００５１】
図９は、図１のエンジン１が高負荷運転状態となっている場合に第１の燃料２０及び混合燃料２８のそれぞれを燃焼室６内に噴射したときの燃焼室６内の圧力（筒内圧力）の挙動を示すグラフ（指圧線図）である。図９のグラフは、クランク角度θと筒内圧力との関係を示している。なお、図９における時点Ｐは、ピストン３の位置が上死点となるタイミングを示している。
【００５２】
図９に示すように、第１の燃料２０を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６８では、着火直後の最高圧力が高く、膨張行程においてノッキング６８ａが発生している。これに対して、混合燃料２８を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６９では、着火直後の筒内圧力の上昇が緩慢で、第１の燃料２０を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６８に比べて最高圧力が低くなっている。また、燃焼期間も、混合燃料２８を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６９のほうが、第１の燃料２０を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６８よりも長くなっている。従って、筒内圧力の挙動６８，６９によるエンジン１の出力がほぼ同じでありながら、混合燃料２８を燃焼室６内に噴射したときの筒内圧力の挙動６８はノッキングを起こさない安定した燃焼を実現していることが分かる。
【００５３】
図１０は、図１の燃焼室６内に吸入ガスのタンブル流動を形成するエンジン１の運転領域、吸入ガスのスワール流動を形成するエンジン１の運転領域、吸入ガスのスワール流動及びタンブル流動のいずれも形成しないエンジン１の運転領域を示すグラフである。図１０では、エンジン１の回転数を横軸とし、エンジン１の出力を縦軸として示している。なお、図１０では、エンジン１の最高出力とエンジン１の回転数との関係がライン７３として示されている。
【００５４】
エンジン１の低回転・低出力運転領域７０では、燃焼室６内への吸気ガスの供給量が少ない。従って、低回転・低出力運転領域７０では、燃焼室６内の空気の乱れを生じさせるために、吸気流動調整装置１７の動作によって吸入ガスのタンブル流動が燃焼室６内に形成される。
【００５５】
エンジン１の回転数及び出力がいずれも中程度の中間運転領域７１では、燃焼室６内への吸入ガスの供給量が増加するので、吸入ガスの乱れを抑えて均質分布を促進するために、吸気流動調整装置１７の動作によって吸入ガスのスワール流動が燃焼室６内に形成される。
【００５６】
エンジン１の高回転・高出力運転領域７２では、混合気形成及び均質分布の実現に対して燃焼室６内への吸入ガスの供給量が十分であるので、吸入ガスの抵抗増大による出力低下を抑制するために、吸気流動調整装置１７の動作によって吸入ガスのタンブル流動及びスワール流動のいずれの形成も停止される。
【００５７】
コントローラ１９は、センサ装置１８からの情報により求めたエンジン１の出力及び回転数に基づいて、エンジン１の運転状態の領域が低回転・低出力運転領域７０、中間運転領域７１及び高回転・高出力運転領域７２のいずれであるかを特定し、特定した運転領域に応じて、吸気流動調整装置１７の動作を制御する。
【００５８】
図１１は、図１のインジェクタ１３から噴射される混合燃料２８の第１の燃料２０及び第２の燃料２１の混合比率を決めるためのエンジン１の運転領域を示すグラフである。図１１では、エンジン１の回転数を横軸とし、エンジン１の出力を縦軸として示している。また、図１１では、図１０と同様に、エンジン１の最高出力とエンジン１の回転数との関係がライン７３として示されている。
【００５９】
エンジン１の低負荷運転領域７４では、燃焼室６内に噴射される燃料が少ないので、燃焼室６内に形成される混合気はリーン状態となっている。従って、低負荷運転領域７４では、燃焼室６内に噴射される燃料が第１の燃料２０のみであっても、燃焼室６内での予混合圧縮着火燃焼が成立する。このことから、低負荷運転領域７４では、第２の燃料２１が第１の燃料２０と混合されて混合燃料２８とされることはなく、第１の燃料２０のみが燃焼室６内に噴射される。
【００６０】
エンジン１の全運転領域のうち、低負荷運転領域７４を除く中高負荷運転領域７５では、燃焼室６内に噴射される燃料が第１の燃料２０のみであるとノッキングが発生する。従って、中高負荷運転領域７５では、混合燃料２８がインジェクタ１３から燃焼室６内に噴射される。これにより、ノッキングの発生が抑制される。
【００６１】
混合燃料２８における第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率は、エンジン１の負荷の大きさに応じて調整される。即ち、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率は、エンジン１の負荷の大きさが大きくなるに従って、第１の燃料２０に対する第２の燃料２１の割合が大きくなるように調整される。この例では、中高負荷運転領域７５を区分して、負荷の大きさが連続的に大きくなる第１〜第５の区分負荷領域７６〜８０を設定し、第１の区分負荷領域７６で１：０．２、第２の区分負荷領域７７で１：０．４、第３の区分負荷領域７８で１：０．６、第４の区分負荷領域７９で１：０．８、第５の区分負荷領域８０で１：１となるように第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率（第１の燃料２０：第２の燃料２１）を調整している。
【００６２】
第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率の調整は、コントローラ１９によるインジェクタ本体３７及び燃料調整装置３８のそれぞれの制御により行われる。即ち、コントローラ１９は、混合燃料２８を噴射する噴射口４３の開時間（即ち、燃焼室６内への混合燃料２８の噴射時間）と、第２の燃料２１を第２の流路４０へ流入させるニードル用穴５７の開時間（即ち、第２の流路４０への第２の燃料２１の供給時間）とを調整することにより、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率を調整する。
【００６３】
コントローラ１９は、インジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力により噴射口４３を開き、インジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力の停止により噴射口４３を閉じる。また、コントローラ１９は、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力によりニードル用穴５７を開き、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力の停止によりニードル用穴５７を閉じる。
【００６４】
図１２は、図１のコントローラ１９からインジェクタ本体３７及び燃料調整装置３８のそれぞれへの弁駆動信号の出力時間を示すグラフであり、図１２（ａ）はインジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力時間を示すグラフ、図１２（ｂ）は燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力時間を示すグラフである。
【００６５】
図１２に示すように、インジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力時間をａ（msec）、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力時間をｂ（msec）とすると、噴射口４３から噴射される混合燃料２８に含まれる第１の燃料２０の量Ａ（mg）は式（１）により表され、噴射口４３から噴射される混合燃料２８に含まれる第２の燃料２１の量Ｂ（mg）は式（２）により表される。
【００６６】
Ａ＝ｂ×ｒｉ／２＋（ａ−ｂ）×ｒｉ＝（ａ−ｂ／２）×ｒｉ…（１）
Ｂ＝ｂ×ｒｉ／２…（２）
【００６７】
ここで、ｒｉは、噴射口４３から噴射される混合燃料２８の燃料噴射率（mg/msec）である。また、混合燃料２８の噴射量Ｔｉｎｊ（mg）は、式（３）により表される。
【００６８】
Ｔｉｎｊ＝Ａ＋Ｂ＝ａ×ｒｉ…（３）
【００６９】
この例では、第１の燃料２０及び第２の燃料２１のそれぞれの供給圧力は一定値に設定されている。従って、インジェクタ本体３７及び燃料調整装置３８のそれぞれへの弁駆動信号の出力を同時に開始するタイミングでは、第１の燃料２０及び第２の燃料２１の各燃料噴射率は、それぞれｒｉ／２（mg/msec）となる。
【００７０】
従って、式（２）及び式（３）から、混合燃料２８に対する第２の燃料２１の割合Ｃは、式（４）により表される。
【００７１】
Ｃ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）＝ｂ／（２×ａ）…（４）
【００７２】
式（４）より、混合燃料２８における第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率は、燃焼室６内への混合燃料２８の噴射時間に対して、インジェクタ本体３７への第２の燃料２１の供給時間を調整することにより、調整可能であることが分かる。
【００７３】
コントローラ１９は、センサ装置１８からの情報により求めたエンジン１の出力及び回転数に基づいて、エンジン１の運転状態の領域が図１１の運転領域のいずれに属するかを特定し、特定した領域に応じた混合燃料２８の混合比率になるように、インジェクタ本体３７及び燃料調整装置３８のそれぞれの動作を制御する。
【００７４】
図１３は、図１のコントローラ１９が燃料噴射の調整を行うときの動作を説明するためのフローチャートである。コントローラ１９は、センサ装置１８からの情報を受けると、センサ装置１８からの情報に基づいて、エンジン１の出力及び回転数を求め、求めたエンジン１の出力及び回転数に基づいて、エンジン１の運転領域を特定する（Ｓ１）。
【００７５】
この後、コントローラ１９は、特定した運転領域での運転を維持するための燃焼室６内への燃料噴射量Ｔｉｎｊと、インジェクタ本体３７への弁駆動信号の出力時間（即ち、燃焼室６内への燃料噴射時間）ａとを算出する（Ｓ２）。
【００７６】
この後、コントローラ１９は、ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が図１１の低負荷運転領域７４及び中高負荷運転領域７５のいずれの領域に属するかを判定する（Ｓ３）。
【００７７】
ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が中高負荷運転領域７５に属すると判定した場合には、コントローラ１９は、エンジン１の運転領域が図１１の第１〜第５の区分負荷領域７６〜８０のいずれの領域に属するかを特定し、特定した領域に応じて、混合燃料２８に対する第２の燃料２１の割合Ｃを求める（Ｓ４）。
【００７８】
この後、コントローラ１９は、求めた割合Ｃに基づいて、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力時間（即ち、第２の燃料２１のインジェクタ本体３７への供給時間）ｂ（＝Ｃ×２×ａ）を求める（Ｓ５）。
【００７９】
一方、ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が低負荷運転領域７４に属すると判定した場合、コントローラ１９は、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力時間ｂをゼロとし、燃料調整装置３８への弁駆動信号の出力の停止を維持する（Ｓ６）。
【００８０】
この後、コントローラ１９は、ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が図１０の低回転・低出力運転領域７０に属するか否かを判定する（Ｓ７）。
【００８１】
低回転・低出力運転領域７０に属する場合には、コントローラ１９は、タンブル流動制御バルブ３２を閉じる制御を行う（Ｓ８）。これにより、燃焼室６内には、吸入ガスのタンブル流動が形成される。
【００８２】
低回転・低出力運転領域７０に属さない場合、コントローラ１９は、ステップＳ１で特定したエンジン１の運転領域が図１０の中間運転領域７１に属するか否かを判定する（Ｓ９）。
【００８３】
中間運転領域７１に属する場合には、コントローラ１９は、スワール流動制御バルブ３１を閉じる制御を行う（Ｓ１０）。これにより、燃焼室６内には、吸入ガスのスワール流動が形成される。
【００８４】
中間運転領域７１に属さない場合、コントローラ１９は、スワール流動制御バルブ３１及びタンブル流動制御バルブ３２をいずれも開く制御を行う（Ｓ１１）。
【００８５】
このような内燃機関の燃焼制御装置９では、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合により生成された混合燃料２８を共通の噴射口４３から燃焼室６内へ直接噴射するので、第１の燃料２０と第２の燃料２１とが燃焼室６内で成層化してしまうことを防止することができ、均質な混合気を燃焼室６内に常に安定して形成することができる。また、互いに異なる着火性能及びアンチノック性能を持つ第１の燃料２０及び第２の燃料２１を混合して混合燃料２８を生成することにより、互いに異なる運転状態に対して安定した燃焼を継続することができる。従って、低負荷運転状態から高負荷運転状態までの幅広い運転状態において予混合圧縮着火燃焼を効率良くかつ安定して継続させることができる。
【００８６】
また、スワール流動制御バルブ３１の制御により吸入ガスのスワール流動を燃焼室６内に形成し、タンブル流動制御バルブ３２の制御により吸入ガスのタンブル流動を燃焼室６内に形成するので、燃焼室６内における吸入ガスの流動の形成をエンジン１の運転状態に応じて調整することができ、エンジン１の運転状態に応じた混合気を燃焼室６内に形成することができる。従って、幅広い運転状態における予混合圧縮着火燃焼をさらに効率良く継続させることができる。
【００８７】
また、インジェクタ１３は、第１の燃料２０が供給される第１の流路３９及び第２の燃料２１が供給される第２の流路４０がインジェクタ胴部４１に設けられ、第２の流路４０への第２の燃料２１の供給が燃料調整装置３８により調整されるので、混合燃料２８に含まれる第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率を簡単な構成で調整することができる。
【００８８】
また、第１の燃料２０と第２の燃料２１とを混合する燃料混合部４２は、第１の流路３９内に配置された多角柱のスワーラチップ４９を有し、スワーラチップ４９には、スワーラチップ４９と第１の流路３９の内面との間に形成された複数の分割流路５３からの燃料を旋回させながら混合する複数の旋回用溝５４が設けられているので、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合をより確実にすることができ、より均質な混合燃料２８をインジェクタ本体３７内で生成することができる。
【００８９】
また、コントローラ１９は、第２の流路４０への第２の燃料２１の供給時間と噴射口４３の開時間とを調整することにより、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率を調整するので、第１の燃料２０と第２の燃料２１との混合比率の調整を簡単な制御で行うことができる。
【００９０】
なお、上記の例では、スワーラチップ４９の形状が六角形となっているが、これに限定されず、スワーラチップ４９の形状を例えば三角形や四角形、八角形等としてもよい。
【００９１】
また、上記の例では、複数の分割流路５３のうち、一部の分割流路５３にのみ第２の燃料２１が注入されるようになっているが、複数の分割流路５３の少なくともいずれかに第２の燃料２１が注入されるようになっていればよく、例えば１本の分割流路５３のみに第２の燃料２１を注入してもよいし、すべての分割流路５３に第２の燃料２１を注入するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１ エンジン（内燃機関）、６ 燃焼室、１３ インジェクタ（燃料噴射装置）、１８ センサ装置（検出部）、１９ コントローラ（制御部）、２０ 第１の燃料、２１ 第２の燃料、２８ 混合燃料、３１ スワール流動制御バルブ、３２ タンブル流動制御バルブ、３３ 分岐管、３４ 仕切り板、３５ 上流路、３６ 下流路、３９ 第１の流路、４０ 第２の流路、４１ インジェクタ胴部（燃料噴射装置胴部）、４２ 燃料混合部、４３ 噴射口、４４ バルブシート、４５ ニードル、４９ スワーラチップ、５１ 対向面、５２ 稜線、５３ 分割流路、５４ 旋回用溝。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内での予混合圧縮着火燃焼を制御する内燃機関の燃焼制御装置であって、
第１の燃料及び第２の燃料の混合比率を調整可能で、上記第１の燃料と上記第２の燃料との混合により生成された混合燃料を共通の噴射口から上記燃焼室内へ直接噴射する燃料噴射装置、
上記内燃機関の運転状態を検出する検出部、及び
上記検出部からの情報に基づいて上記燃料噴射装置を制御することにより、上記第１の燃料及び上記第２の燃料の混合比率を調整する制御部
を備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
吸入ガスを上記燃焼室内へそれぞれ導く一対の分岐管内のいずれかに設けられ、一方の上記分岐管のみを閉じることにより上記燃焼室内において上記吸入ガスのスワール流動を形成するスワール流動制御バルブ、及び
仕切り板により上下に分割されて各上記分岐管内に形成された上流路及び下流路のうち、上記下流路に設けられ、上記下流路のみを閉じることにより上記燃焼室内において上記吸入ガスのタンブル流動を形成するタンブル流動制御バルブ
をさらに備え、
上記制御部は、上記検出部からの情報により求めた上記内燃機関の負荷に応じて、上記スワール流動制御バルブ及び上記タンブル流動制御バルブのそれぞれを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
上記燃料噴射装置は、
上記第１の燃料が供給される第１の流路及び上記第２の燃料が供給される第２の流路が設けられた燃料噴射装置胴部と、
上記第２の流路への上記第２の燃料の供給を調整する燃料調整装置と、
上記第１の流路内を流れる上記第１の燃料と上記第２の流路内を流れる上記第２の燃料とを混合して上記混合燃料とする燃料混合部と、
上記混合燃料が上記燃料混合部から導かれ、上記噴射口が設けられたバルブシートと、
上記バルブシートに対して接離することにより上記噴射口を開閉するニードルと
を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
上記燃料混合部は、
上記第１の流路の内面に対向する複数の対向面を持ち、各上記対向面の境界に形成された複数の稜線を上記第１の流路の内面にそれぞれ接触させた状態で上記第１の流路内に配置され、上記第１の燃料を流す分割流路を上記第１の流路の内面と上記対向面との間に個別に形成する多角柱のスワーラチップ
を有し、
各上記分割流路の少なくともいずれかには、上記第２の燃料が上記第２の流路から注入されるようになっており、
上記スワーラチップには、各上記分割流路からの燃料を旋回させながら互いに混合して上記混合燃料とする複数の旋回用溝が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
上記制御部は、上記第２の流路への上記第２の燃料の供給時間と上記噴射口の開時間とを調整することにより、上記混合比率を調整することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内での予混合圧縮着火燃焼を制御する内燃機関の燃焼制御装置であって、
第１の燃料及び第２の燃料の混合比率を調整可能で、上記第１の燃料と上記第２の燃料との混合により生成された混合燃料を共通の噴射口から上記燃焼室内へ直接噴射する燃料噴射装置、
上記内燃機関の運転状態を検出する検出部、及び
上記検出部からの情報に基づいて上記燃料噴射装置を制御することにより、上記第１の燃料及び上記第２の燃料の混合比率を調整する制御部
を備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
吸入ガスを上記燃焼室内へそれぞれ導く一対の分岐管内のいずれかに設けられ、一方の上記分岐管のみを閉じることにより上記燃焼室内において上記吸入ガスのスワール流動を形成するスワール流動制御バルブ、及び
仕切り板により上下に分割されて各上記分岐管内に形成された上流路及び下流路のうち、上記下流路に設けられ、上記下流路のみを閉じることにより上記燃焼室内において上記吸入ガスのタンブル流動を形成するタンブル流動制御バルブ
をさらに備え、
上記制御部は、上記検出部からの情報により求めた上記内燃機関の負荷に応じて、上記スワール流動制御バルブ及び上記タンブル流動制御バルブのそれぞれを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
上記燃料噴射装置は、
上記第１の燃料が供給される第１の流路及び上記第２の燃料が供給される第２の流路が設けられた燃料噴射装置胴部と、
上記第２の流路への上記第２の燃料の供給を調整する燃料調整装置と、
上記第１の流路内を流れる上記第１の燃料と上記第２の流路内を流れる上記第２の燃料とを混合して上記混合燃料とする燃料混合部と、
上記混合燃料が上記燃料混合部から導かれ、上記噴射口が設けられたバルブシートと、
上記バルブシートに対して接離することにより上記噴射口を開閉するニードルと
を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
上記燃料混合部は、
上記第１の流路の内面に対向する複数の対向面を持ち、各上記対向面の境界に形成された複数の稜線を上記第１の流路の内面にそれぞれ接触させた状態で上記第１の流路内に配置され、上記第１の燃料を流す分割流路を上記第１の流路の内面と上記対向面との間に個別に形成する多角柱のスワーラチップ
を有し、
各上記分割流路の少なくともいずれかには、上記第２の燃料が上記第２の流路から注入されるようになっており、
上記スワーラチップには、各上記分割流路からの燃料を旋回させながら互いに混合して上記混合燃料とする複数の旋回用溝が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
上記制御部は、上記第２の流路への上記第２の燃料の供給時間と上記噴射口の開時間とを調整することにより、上記混合比率を調整することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１０７５６４（Ｐ２０１２−１０７５６４Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５６８１４（Ｐ２０１０−２５６８１４）
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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