圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法、該圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システム
【課題】圧縮自己着火内燃機関１において、炭化水素燃料の燃焼時期を出来る限り正確に予測できるようにする。
【解決手段】炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定する工程と、上記各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室６内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出する工程と、上記各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出する工程と、上記各種類毎の上記第２関数の値を積算する工程と、上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測する工程と、を備える。
【解決手段】炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定する工程と、上記各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室６内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出する工程と、上記各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出する工程と、上記各種類毎の上記第２関数の値を積算する工程と、上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測する工程と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法、該圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムに関する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃焼室内の炭化水素燃料（ガソリン等）を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関（予混合圧縮自己着火（Homogeneous Charge Compression Ignition：ＨＣＣＩ）内燃機関とも呼ばれる）が知られている（例えば特許文献１及び２参照）。この圧縮自己着火内燃機関においては、予め燃焼室内で燃料と空気とを略均一に混合させておき、この混合気が、圧縮行程において圧縮されて温度上昇するのに伴い、燃料分子と酸素分子との間の衝突エネルギーが増大して、その衝突エネルギーが閾値を越えた時点で燃料の自己着火が生じる。この圧縮自己着火内燃機関においては、自己着火のタイミングに応じて、内燃機関の出力トルクが変動するため、自己着火の時期、つまり燃料の燃焼時期を正確に予測する必要がある。
【０００３】
そこで、例えば非特許文献１に示されているように、燃料の自己着火のし易さを、その燃料のオクタン価と温度条件とに基づいて予測することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０９５５３９号公報
【特許文献２】特開２００１−３５５４４９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】柴田 元、他１名，「炭化水素の自己着火特性と燃料のＨＣＣＩインデックスの考え方（第２報）」，自動車技術会 ２００７ 春季大会 学術講演会前刷集 Ｎｏ．５４−０７，社団法人 自動車技術会，２００７年５月，ｐ．２９−３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記提案例の予測方法を検証した結果、同じオクタン価であっても、燃料成分の相違によって自己着火性に差があることが判明し、したがって、上記提案例の予測方法では、自己着火の時期、つまり燃料の燃焼時期を正確に予測することは困難である。
【０００７】
本発明は、斯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、圧縮自己着火内燃機関において、炭化水素燃料の燃焼時期を出来る限り正確に予測できるようにし、この予測結果に基づいて、上記内燃機関の出力トルクを安定させ得るようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明では、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関における該炭化水素燃料の燃焼時期を予測する、圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法を対象として、上記炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定する工程と、上記特定した各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出する工程と、上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出する工程と、上記各種類毎の第２関数の値を積算する工程と、上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測する工程と、を備えているものとした。
【０００９】
上記燃焼時期予測方法により、炭化水素成分の種類毎に、燃焼室内の温度（圧縮上死点温度が好ましい）に基づいて第１関数の値を求め、その第１関数の値とその種類の割合から第２関数の値を求め、各種類毎の第２関数の値の積算値に基づき、燃焼時期を予測する。これにより、炭化水素成分の種類毎に異なる温度依存性を反映した予測燃焼時期が得られ、炭化水素燃料の燃焼時期を正確に予測できるようになる。
【００１０】
上記各種類毎の第１関数は、上記燃焼室内の温度と当該種類のモータ法オクタン価との関数であり、上記第１関数の値を算出する工程は、上記特定した各種類毎に、上記温度と当該種類のモータ法オクタン価とに基づき第１関数の値を算出する工程であることが好ましい。
【００１１】
これにより、各種類毎のモータ法オクタン価を予測燃焼時期に反映することができ、炭化水素燃料の燃焼時期をより一層正確に予測できるようになる。
【００１２】
上記圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法は、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムに適用することができる。すなわち、圧縮自己着火内燃機関の制御方法では、上記圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法により予測された燃焼時期に基づき、上記内燃機関の制御パラメータを制御する工程を備えるものとする。
【００１３】
また、圧縮自己着火内燃機関システムでは、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関と、上記内燃機関を制御する制御器と、を備え、上記制御器は、上記炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定し、かつ、上記特定した各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出し、かつ、上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出し、かつ、上記各種類毎の第２関数の値を積算し、かつ、上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測し、かつ、上記予測された燃焼時期に基づき、上記内燃機関の制御パラメータを制御するものであるとする。
【００１４】
上記圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムにより、予測燃焼時期に応じて、燃焼時期が所定の時期になる（例えば着火時期が圧縮上死点付近になる）ように内燃機関の制御パラメータを制御することができ、この制御により、安定した出力トルクが得られるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明の圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法によると、炭化水素燃料の燃焼時期を正確に予測できるようになる。また、本発明の圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムによると、上記燃焼時期予測方法により予測された燃焼時期に応じて、燃焼時期が所定の時期になるように内燃機関の制御パラメータを制御することで、内燃機関の出力トルクを安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る圧縮自己着火内燃機関システムの構成を示す概略図である。
【図２】エンジンの燃焼モード（ＨＣＣＩモード又はＳＩモード）を選択するための制御マップの一例を示す図である。
【図３】エンジン制御ユニットによる制御動作を示すフローチャートである。
【図４】着火遅れ時間と燃料噴射時期との関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）は吸気温度と係数Ｃ２（詳しくはＣ２／［Ｆｕｅｌ２］）との関係を示すグラフであり、（ｂ）は吸気温度と係数Ｃ３（詳しくはＣ３／［Ｆｕｅｌ３］）との関係を示すグラフであり、（ｃ）は吸気温度と係数Ｃ４（詳しくはＣ４／［Ｆｕｅｌ４］）との関係を示すグラフである。
【図６】各種燃料について、吸気温度を変化させたときの、圧縮上死点後のクランク角度と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図７】パラフィン系炭化水素のみを含む燃料について、着火遅れ時間と圧縮上死点における燃焼室内の燃料モル密度との関係を調べた結果を示すグラフである。
【図８】パラフィン系炭化水素のみを含む燃料について、パラフィンモデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を示すグラフである。
【図９】７０ＲＯＮ混合燃料について、吸気温度を変化させたときの、パラフィンモデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を示すグラフである。
【図１０】７０ＲＯＮ混合燃料についての、混合燃料モデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を示すグラフである。
【図１１】９０ＲＯＮ燃料及びレギュラーガソリンについての、混合燃料モデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る圧縮自己着火内燃機関システムを示し、この圧縮自己着火内燃機関システムは、自動車等の車両に搭載された、圧縮自己着火内燃機関（予混合圧縮自己着火内燃機関とも呼ばれる）としてのエンジン１と、このエンジン１を制御する制御器としてのエンジン制御ユニット３０とを備えている。
【００１９】
エンジン１は、炭化水素燃料（特にガソリン）を使用する多気筒エンジンであって、図１の紙面に直交する方向に直列配置された複数の気筒２（例えば、４気筒、６気筒、…）を有するシリンダブロック３と、このシリンダブロック３の上側に配置されたシリンダヘッド４とを備えている。各気筒２にはピストン５が嵌挿され、ピストン５の上面とシリンダヘッド４の下面との間に所定容積の燃焼室６が形成されている。ピストン５は、コネクティングロッド８を介して、クランク軸７と連結されている。クランク軸７は、ピストン５の往復運動に伴って、該クランク軸７の中心軸回りに回転する。
【００２０】
上記シリンダヘッド４内には、気筒２毎に、燃焼室６の天井部に開口する吸気ポート９と排気ポート１０とがそれぞれ形成されている。吸気ポート９は、燃焼室６の天井部から斜め上方に延びてシリンダヘッド４の吸気側（図１では右側）の側壁に開口し、排気ポート１０は排気側（図１では左側）の側壁に開口している。吸気ポート９及び排気ポート１０の側壁の各開口部には、それぞれ、吸気通路２０及び排気通路２５が接続されている。
【００２１】
シリンダヘッド４には、気筒２毎に、吸気弁１１及び排気弁１２がそれぞれ設けられている。そして、吸気ポート９及び排気ポート１０は、それぞれ、吸気弁１１及び排気弁１２によって開閉される。吸気弁１１及び排気弁１２は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカムシャフト（図示せず）等を含む動弁機構１３により、クランク軸７の回転に同期して開閉駆動される。
【００２２】
吸気弁１１及び排気弁１２の各動弁機構１３には、それぞれ、可変バルブリフト機構（以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）という）１４と、可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）という）１５とが組み込まれている。ＶＶＬ１４は、カムシャフト（図示せず）に取り付けられたカムの揺動軌跡をエンジン制御ユニット３０からの指令に基づいて変更することにより、吸気弁１１及び排気弁１２のリフト量（開弁量）をエンジンの運転状態に応じて変更する。
【００２３】
ＶＶＴ１５は、クランク軸７に対するカムシャフト（図示せず）の回転位相をエンジン制御ユニット３０からの指令に基づいて変更することにより、吸気弁１１及び排気弁１２の開閉タイミング（位相角度）をエンジンの運転状態に応じて変更する。そして、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の作動に応じて、吸気弁１１及び排気弁１２のリフト特性が変更され、その結果、各気筒２への吸入空気量や残留既燃ガス（内部ＥＧＲ）の量が調整される。なお、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５は、一般に用いられているものであって当業者には公知であるので、その詳しい説明は省略する。
【００２４】
また、シリンダヘッド４には、各気筒２の燃焼室６に臨むように点火プラグ１６が設けられている。点火プラグ１６は、その上方に設けられた点火回路１７からの給電に応じて、所定のタイミングで放電（火花点火）を行う。さらに、シリンダヘッド４には、吸気側の側方から燃焼室６に臨むように燃料噴射弁１８が設けられている。燃料噴射弁１８へは、高圧燃料ポンプ１９によって、燃料通路を介して、燃料タンクからの燃料が供給される。なお、高圧燃料ポンプ１９は、例えばスピール弁によって駆動され、燃料噴射弁１８への燃料の供給圧すなわち燃圧を低圧から高圧までの広い範囲で自在に変化させることができる。そして、燃料噴射弁１８は、所定の噴射タイミング（吸気行程等）で燃焼室６に対して燃料を直接噴射し、燃焼室６内に所定の空燃比の混合気を生成する。
【００２５】
エンジン１の吸気側には、吸気通路２０が配設されている。空気の流れ方向（矢印方向）にみて、吸気通路２０の下流端は、シリンダヘッド４の吸気側の側壁に接続されていて、吸気ポート９と連通している。そして、エアクリーナ（図示せず）によりダスト等の異物が除去された空気が、吸気通路２０と吸気ポート９とを順に通って、各気筒２の燃焼室６に供給される。
【００２６】
吸気通路２０の途中には、サージタンク２１が配設されている。サージタンク２１よりも上流側の吸気通路２０は、全気筒に共通な単一の通路（以下、共通吸気通路部という）となっている。この共通吸気通路部には、例えばバイワイヤー化した電子制御式のスロットル弁２２が配設されている。一方、サージタンク２１よりも下流側の吸気通路２０は、気筒２毎に分岐した通路（以下、分岐吸気通路部という）となっている。そして、スロットル弁２２により流量が調整された空気が、分岐吸気通路部を通って、各気筒２の燃焼室６に導入される。
【００２７】
エンジン１の排気側には、排気通路２５が配設されている。排気ガスの流れ方向（矢印方向）にみて、排気通路２５の上流端は、シリンダヘッド４の排気側の側壁に接続されていて、排気ポート１０と連通している。そして、各気筒２の燃焼室６で混合気が燃焼した後、その燃焼によって生成された既燃ガス（排気ガス）が排気通路２５を通って外部に排出される。排気通路２５の途中には、排気ガス中の有害成分を浄化する三元触媒を用いた触媒コンバータ２７が設けられている。このエンジン１では、ＮＯｘ生成量が少ないので、ＮＯｘの処理効率を高めるための特別な装置、例えばＮＯｘトラップ触媒等は設けられていない。
【００２８】
上記エンジン制御ユニット３０は、中央算出処理装置（ＣＰＵ）、各種メモリ等を有するコンピュータで構成されている。このエンジン制御ユニット３０は、クランク軸７の回転角（クランク角度）を検出するクランク角センサ３１、吸気通路２０内を流れる空気の量を検出するエアフローセンサ３２、アクセルペダル（図示せず）の操作量すなわちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３３、各気筒２の燃焼室６内の圧力すなわち筒内圧力を検出する筒内圧センサ３４、及び、当該エンジン１を搭載している車両の速度を検出する車速センサ３５と電気的に接続されている。ここで、筒内圧３４センサは、点火プラグ１６と一体形成されたものであって、点火プラグ１６内に内蔵されている。なお、筒内圧センサ３４を、燃料噴射弁１８と一体形成してもよい。
【００２９】
また、エンジン制御ユニット３０は、サージタンク２１内の空気の温度すなわち各気筒２の燃焼室６に供給される空気の温度（以下、吸気温度という）を検出する吸気温度センサ３６、高圧燃料ポンプ１９から燃料噴射弁１８に供給される燃料の圧力ないしは燃料噴射圧力を検出する燃圧センサ３７、及び、上記車両の燃料タンク内に設けられた燃料成分検出センサ３８と電気的に接続されている。これら各種センサ３１〜３８によって検出された各制御情報が、それぞれ電気信号としてエンジン制御ユニット３０に入力される。
【００３０】
上記燃料成分検出センサ３８は、上燃料タンク内の炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を検出するものである。本実施形態では、パラフィン系炭化水素、アロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素の４種類の炭化水素成分を検出する。
【００３１】
パラフィン系炭化水素は、炭素原子の数が２０以上のアルカン（鎖式飽和炭化水素）の総称であり、ノルマルパラフィンとイソパラフィンとを含む。
【００３２】
アロマティクス系炭化水素（芳香族炭化水素）は、一重結合と二重結合とが交互に並び、電子が非局在化した６つの炭素原子からなる単環又は複数の平面環をユニットとして構成されている。最も構造が単純なアロマティクス系炭化水素はベンゼンであり、ベンゼン環として知られている６つの炭素からなる環状化合物である。
【００３３】
オレフィン系炭化水素（アルケン）は、化学式ＣｎＨ２ｎ（ｎは２以上の自然数）で表される有機化合物であって、不飽和炭化水素の一種である。エチレン系炭化水素とも呼ばれる。Ｃ−Ｃ間の結合の中に二重結合を１つ持つ。
【００３４】
ナフテン系炭化水素は、分子中に環状構造を持つ飽和炭化水素である。シクロパラフィン系炭化水素とも呼ばれ、オレフィン系炭化水素と同一の分子式ＣｎＨ２ｎで表される。炭素数５のシクロペンタンや炭素数６のシクロヘキサン等がある。
【００３５】
上記エンジン制御ユニット３０は、上記各種センサ３１〜３８の検出値に基づいて、エンジン１の運転状態に応じて、ＶＶＬ１４、ＶＶＴ１５、点火回路１７、燃料噴射弁１８、高圧燃料ポンプ１９、スロットル弁２２等の動作を制御して、エンジン１の種々の制御を行う。例えば、エンジン制御ユニット３０は、エンジン１の運転状態に応じて、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５を制御して吸気弁１１及び排気弁１２のリフト特性を変更することにより、エンジン１の吸排気に関する動作を制御したり、燃料噴射弁１８の燃料噴射量、燃料圧力（燃料噴射圧力）、噴射パルス幅及び燃料噴射時期、高圧燃料ポンプ１９の駆動状態及び吐出圧等を制御したりする。
【００３６】
エンジン制御ユニット３０は、点火プラグ１６を用いることなく吸気行程中に生成された混合気（炭化水素燃料）を圧縮上死点付近で圧縮自己着火させる均一充填圧縮自己着火モード（以下、ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）モードという）と、点火プラグ１６を用いて火花点火により混合気を強制的に着火させる火花点火モード（以下、ＳＩ（Spark Ignition）モードという）との間で、燃焼モードを切り替える。
【００３７】
ここで、エンジン制御ユニット３０による制御動作を図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００３８】
最初のステップＳ１で、各種信号を読み込み、次のステップＳ２で、アクセル開度センサ３からのアクセル開度と、クランク角センサ３１からのクランク角度から求まるエンジン回転速度とに基づき、エンジン負荷（目標トルク）を算出する。そして、次のステップＳ３で、そのエンジン回転速度及びエンジン負荷に基づいて、エンジン１の運転状態が、図２に示す制御マップにおいて、ＨＣＣＩ領域及びＳＩ領域のうちいずれの運転領域に該当するかを判定する。
【００３９】
上記制御マップには、図２に示すように、ＳＩ領域及びＨＣＣＩ領域の２つの運転領域が設定されている。そして、エンジン１の運転状態がＳＩ領域及びＨＣＣＩ領域のいずれにあるかに応じて、エンジンの燃焼モードが選択される。具体的には、高回転領域又は高負荷領域に設定されたＳＩ領域ではＳＩモードが選択され、低回転・低負荷領域に設定されたＨＣＣＩ領域ではＨＣＣＩモードが選択される。
【００４０】
次のステップＳ４で、エンジン１の運転状態がＨＣＣＩ領域にあるか否かを判定する。このステップＳ４の判定がＮＯであるとき、つまりエンジン１の運転状態がＳＩ領域にあるときには、ステップＳ５に進んで、燃焼モードをＳＩモードに設定するとともに、エンジン回転速度、エンジン負荷等に基づいて、ＳＩモードに対応した、エンジン１の各種制御パラメータを算出する。ステップＳ５の後はリターンする。
【００４１】
ＳＩモードでの運転時には、各気筒サイクルにおいて、排気弁１２の開弁期間と吸気弁１１の開弁期間とが、排気上死点（排気行程と吸気行程の間の上死点）付近で両弁１１，１２の開弁期間が若干オーバーラップするように設定される。そして、排気上死点後において、吸気弁１１が開弁された後に燃料噴射弁１８によって１回だけ通常の燃料噴射が行われる。この後、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程との間の上死点）付近で点火プラグ１６により混合気が点火され、混合気ないしは燃料が火炎伝播により燃焼する。
【００４２】
一方、ステップＳ４の判定がＹＥＳであるとき、つまりエンジン１の運転状態がＨＣＣＩ領域にあるときには、ステップＳ６に進んで、燃焼モードをＨＣＣＩモードに設定するとともに、エンジン回転速度、エンジン負荷等に基づいて、ＨＣＣＩモードに対応した、エンジン１の各種制御パラメータを算出する。
【００４３】
ＨＣＣＩモードでの運転時には、排気弁１２の開弁期間と吸気弁１１の開弁期間とが、排気上死点付近で両弁１１，１２が共に閉弁されるネガティブバルブオーバーラップ期間（ＮＶＯ期間）が存在するように設定される。そして、排気上死点後においてＮＶＯ期間が終了して吸気弁１１が開弁された後に、燃料噴射弁１８による燃料の噴射が行われる。この噴射された燃料は、燃焼室６内において混合気を形成し、その混合気が圧縮上死点付近においてそれ自体で（すなわち、他の点火手段又は着火手段を介することなく）自己着火する。その結果、混合気（燃料）は、火炎伝播を生じさせることなく急速に燃焼する。この場合、燃焼温度が火花点火の場合に比べて低いので、ＮＯｘ発生量が大幅に低減される。
【００４４】
本実施形態では、ＨＣＣＩモードでの運転時において、炭化水素燃料の炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合並びに燃焼室６内の温度（本実施形態では、圧縮上死点温度ＴTDCであり、この圧縮上死点温度ＴTDCは、筒内圧センサ３５により検出された圧力から求めるか、又は、吸気温度センサ３６により検出された吸気温度と有効圧縮比とから求める（ステップＳ７参照））に基づいて、炭化水素燃料の燃焼時期（Δｔ）を予測する（ステップＳ８参照）。
【００４５】
上記燃焼時期の予測は、以下の如く行う。すなわち、エンジン制御ユニット３０は、最初に、燃料成分検出センサ３８による検出結果に基づいて、炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定する。尚、燃料成分検出センサ３８による検出によらないで、予め定めた種類及び割合に特定してもよい。このことは特に、使用する燃料が決まっている場合に有効である。
【００４６】
次いで、エンジン制御ユニット３０は、上記特定した炭化水素成分の各種類毎に、燃焼室６内の圧縮上死点温度ＴTDCに基づき、該圧縮上死点温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数Ｆ１ｉの値を算出する。ここで、ｉは、１〜４の自然数であり、ｉ＝１は、パラフィン系炭化水素を示し、ｉ＝２は、アロマティクス系炭化水素を示し、ｉ＝３は、オレフィン系炭化水素を示し、ｉ＝４は、ナフテン系炭化水素を示す。例えばＦ１１は、パラフィン系炭化水素について設定された第１関数である。
【００４７】
上記各種類毎の第１関数Ｆ１ｉは、本実施形態では、式（１）で表される。
【００４８】
Ｆ１ｉ＝ＡＴTDCｎｅｘｐ（ｆ（ＭＯＮｉ）／ＴTDC） …（１）
ここで、Ａ＝４．６０×１０−３であり、ｎ＝５．７１である。また、ｆ（ＭＯＮｉ）は、式（２）で表される、ＭＯＮｉの関数である。ＭＯＮｉは、上記各種類毎のモータ法オクタン価である。
【００４９】
ｆ（ＭＯＮｉ）＝−７１．４×ＭＯＮｉ＋１．０９×１０４ …（２）
したがって、本実施形態では、各種類毎の第１関数Ｆ１ｉは、圧縮上死点温度ＴTDCと当該種類のモータ法オクタン価ＭＯＮｉとの関数であるといえる。
【００５０】
続いて、エンジン制御ユニット３０は、上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数Ｆ２ｉの値を算出する。この各種類毎の第１関数Ｆ２ｉは、本実施形態では、式（３）で表される。
【００５１】
Ｆ２ｉ＝Ｃｉ×Ｆ１ｉ×Ｍｉ …（３）
ここで、Ｍｉ＝［Ｆｕｅｌｉ］ｇ（ＭＯＮｉ）であり、［Ｆｕｅｌｉ］は、圧縮上死点における燃焼室６内の上記各種類のモル密度である。この各種類のモル密度は、上記割合及び空燃比並びに圧縮上死点における燃焼室６の体積から求まる。Ｃｉについては後述する。ｇ（ＭＯＮｉ）は、下記の式（４）で表される、ＭＯＮｉの関数である。
【００５２】
ｇ（ＭＯＮｉ）＝−０．４００×１０−２×ＭＯＮｉ＋０．３９３ …（４）
次いで、エンジン制御ユニット３０は、上記各種類毎の第２関数Ｆ２ｉの値を積算する。この積算値に基づき、エンジン１における炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測する。本実施形態では、炭化水素燃料の燃焼時期を、圧縮上死点前９０°クランク角度から燃料の質量燃焼割合（ＭＢＦ）５０％時期までの時間Δｔ（以下、着火遅れ時間という）で予測する。この着火遅れ時間Δｔの逆数が上記積算値となる。すなわち、下記の式（５）から着火遅れ時間Δｔが求まる。ここで、式（５）において、炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定した結果、特定されなかった種類（つまり燃料に含まれていない種類）の第２関数Ｆ２ｉの値は０である。
【００５３】
１／Δｔ＝Ｆ２１＋Ｆ２２＋Ｆ２３＋Ｆ２４
＝Ｃ１×Ｆ１１×Ｍ１＋Ｃ２×Ｆ１２×Ｍ２
＋Ｃ３×Ｆ１３×Ｍ３＋Ｃ４×Ｆ１４×Ｍ４ …（５）
Ｃｉは、燃料に通常含まれているパラフィン系炭化水素の反応に対する各種類の反応促進効果又は反応抑制効果（相互作用）を示す係数であり、係数Ｃ１は１とする。係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４は、それぞれアロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素のパラフィン系炭化水素に対する相互作用を示すものであり、係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４が正であれば、パラフィン系炭化水素の反応に対して促進効果を示し、上記積算値が増大する（着火遅れ時間Δｔが小さくなって燃焼時期が早くなる）。一方、係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４が負であれば、パラフィン系炭化水素の反応に対して抑制効果を示し、上記積算値が減少する（着火遅れ時間Δｔが大きくなって燃焼時期が遅くなる）。係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４の値は、上記着火遅れ時間Δｔの測定結果と計算結果（予測結果）との差が小さくなるように求めることができて、それぞれ図５（ａ）〜（ｃ）に示す如く、圧縮上死点における燃焼室６内の当該種類のモル密度が一定の条件で、吸気温度に応じて変化する（吸気温度が高いほど係数が大きくなる）。アロマティクス系炭化水素は、吸気温度によらず常に反応抑制効果を示す。オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素は、吸気温度が所定温度よりも高いときには、反応促進効果を示し、所定温度以下のときには、反応抑制効果を示す。
【００５４】
エンジン制御ユニット３０は、上記の如く式（５）より着火遅れ時間Δｔを算出した後、ステップＳ９において、その算出した着火遅れ時間Δｔに基づき、燃焼時期が所定の時期になる（例えば着火時期が圧縮上死点付近になる）ように、エンジン１の各種制御パラメータを制御する（本実施形態では、先にステップＳ６で算出した制御パラメータを補正する）。例えば、図４に示すように、着火遅れ時間Δｔが大きい（燃焼時期が遅い）ほど、燃料噴射時期を進角させて、燃料と空気とがより均一に混ざるようにする。或いは、着火遅れ時間Δｔが大きいほど、筒内温度が高くなるようにする。筒内温度を高くするには、有効圧縮比を大きくしたり、残留既燃ガス（内部ＥＧＲ）の量を多くしたりすればよい。ステップＳ９の後はリターンする。
【００５５】
ここで、上記式（５）を導いた経緯及び実験結果を説明することで、式（５）から炭化水素燃料の燃焼時期を正確に予測できることを説明する。
【００５６】
実験に用いたエンジンは、直噴式のＤＯＨＣ４バルブエンジンであって、ボア径が８７．５ｍｍ、ストロークが８３．１ｍｍであり、幾何学的圧縮比が１４であり、燃焼室はペントルーフタイプである。そして、エンジン冷却水温８８℃、オイル温度９０℃、エンジン回転速度１５００ｒｐｍという運転条件で自然吸気で運転した。また、現象を理解しやすいように外部吸気加熱装置を用いて吸入空気温度を上昇させた（１００℃〜２２５℃）。空燃比は４０〜８５である。
【００５７】
使用した燃料を表１に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
パラフィン系炭化水素のみで構成された７０ＲＯＮ（リサーチ法オクタン価）のＰａｒａ７０、８０ＲＯＮのＰａｒａ８０及び９０ＲＯＮのＰａｒａ９０に加え、７０ＲＯＮでは、パラフィン系炭化水素にアロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素をそれぞれ体積割合で約３０％混合したＡｒｏｍ７０、Ｏｌｅ７０及びＮａｐｈ７０を作製した。また、９０ＲＯＮでは、パラフィン系炭化水素にアロマティクス系炭化水素を体積割合で約３０％混合したＡｒｏｍ９０と、パラフィン系炭化水素にアロマティクス系炭化水素を体積割合で約３０％混合した燃料に、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素をそれぞれ体積割合で約２０％混合したＡｒｏｍ−Ｏｌｅ９０及びＡｒｏｍ−Ｎａｐｈ９０とを作製した。さらに、燃料による混合気形成の差異が生じないように、各種燃料の蒸発や微粒化に関係する蒸留特性、動粘度及び表面張力は同等となるように調製した。
【００６０】
吸気温度（Ｔｉｎ）を２２５℃から１００℃まで変化させ、全負荷（ＷＯＴ）にて運転可能な空燃比（Ａ／Ｆ）で、圧縮上死点後のクランク角度と熱発生率との関係を調べた。その結果を図６（ａ）〜（ｅ）に示す。同一ＲＯＮの燃料であるにも拘わらず、燃料成分が異なると着火性も異なることが分かる。すなわち、７０ＲＯＮ燃料においては、吸気温度２２５℃でＯｌｅ７０及びＮａｐｈ７０の燃焼時期はＰａｒａ７０に対して進角し、Ａｒｏｍ７０の燃焼時期はＰａｒａ７０と同等であった。しかし、吸気温度の低下に伴い、Ｎａｐｈ７０の燃焼時期は著しく遅角し、吸気温度１５０℃以下では運転できなかった。また、吸気温度１００℃では、Ｏｌｅ７０及びＡｒｏｍ７０の燃焼時期はＰａｒａ７０に対して進角した。また、９０ＲＯＮ燃料においては、吸気温度２２５℃のみで安定した運転が可能であり、このときの燃料成分間の着火性の傾向は７０ＲＯＮ燃料の吸気温度２２５℃のときと同等であった。
【００６１】
着火特性に対する燃料成分の影響を明らかにするために、まず、パラフィン系炭化水素のみを含む燃料（以下、パラフィン系燃料という）に対して、ＭＯＮを用いてアレニウス型の式で燃焼時期を定式化し、次に、このモデル式を用いて、複数の種類を混合した混合燃料の燃焼時期を予測して、この予測を実験結果と比較することで、燃料成分の影響を明らかにした。
【００６２】
図７は、パラフィン系燃料について、着火遅れ時間Δｔ（圧縮上死点前９０°クランク角度からＭＢＦ５０％時期までの時間）と、圧縮上死点における燃焼室６内の燃料モル密度［Ｆｕｅｌ］との関係を調べた結果を示す。この関係をアレニウス型の式（６）で定式化した。
【００６３】
１／Δｔ＝ＡＴｎｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）［Ｏ２］α［Ｆｕｅｌ］β …（６）
ここで、Ｅは活性化エネルギ、Ｒは気体定数、Ｔは筒内温度、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素モル密度、［Ｆｕｅｌ］は燃焼室内の燃料モル密度である。筒内温度Ｔ、［Ｏ２］及び［Ｆｕｅｌ］は圧縮上死点での値とし、ＭＯＮによる着火遅れ時間の変化に対応するために、活性化温度（−Ｅ／Ｒ）と燃料モル密度のべき乗βとをＭＯＮの関数とした。また、吸気温度によって酸素モル密度が決まるため、べき乗αは０とした。そして、図７の関係に合うようにすると、式（７）（以下、パラフィンモデル式という）のようになる。
【００６４】
１／Δｔ
＝ＡＴTDCｎｅｘｐ（ｆ（ＭＯＮ）／ＴTDC）［Ｆｕｅｌ］ｇ（ＭＯＮ） …（７）
ここで、Ａ＝４．６０×１０−３であり、ｎ＝５．７１である。また、ｆ（ＭＯＮ）及びｇ（ＭＯＮ）は、それぞれ式（８）及び式（９）で表される、ＭＯＮの関数である。
【００６５】
ｆ（ＭＯＮ）＝−７１．４×ＭＯＮ＋１．０９×１０４ …（８）
ｇ（ＭＯＮ）＝−０．４００×１０−２×ＭＯＮ＋０．３９３ …（９）
図８は、パラフィン系燃料について、上記パラフィンモデル式を用いた予測結果（ＭＢＦ５０％となる圧縮上死点後の予測クランク角度）と実験結果（ＭＢＦ５０％となる圧縮上死点後の実測クランク角度）との比較を示す。図８には、予測結果と実験結果とが一致するラインを引いている。この比較より、パラフィン系燃料については、圧縮上死点温度及びＭＯＮを指標とすることで、燃焼時期を正確に予測できることが分かる。
【００６６】
図９（ａ）〜（ｆ）は、７０ＲＯＮ混合燃料について、上記パラフィンモデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を、吸気温度毎に示すものである。これより、混合燃料の燃焼時期が、同一ＭＯＮのパラフィン系燃料に比べて促進されているのか、又は、抑制されているのかを知ることができる。吸気温度が２２５℃では、どの燃料もパラフィン系燃料と同等の着火特性となっているが、吸気温度の低下に伴って抑制効果が働き、その効果はＮａｐｈ７０で最も大きいことが分かる。
【００６７】
そこで、上記パラフィンモデル式を拡張して、パラフィン系燃料の反応速度に加えて、他の燃料成分の反応速度をも考慮する（パラフィンモデル式と同じモデル式とする）とともに、パラフィン系燃料の反応に対する促進効果又は抑制効果を示す係数をＣｉとして、上記式（５）を導いた。以下、式（５）を混合燃料モデル式という。
【００６８】
ここで、Δｔを計算する際、ＭＯＮ１、ＭＯＮ２、ＭＯＮ３及びＭＯＮ４は、表２に示した値を用いた。すなわち、実験に用いたアロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素を、トルエン、１−ペンテン及びシクロヘキサンでそれぞれ代表させ、パラフィン系燃料のＭＯＮは、各種混合燃料のＭＯＮと各燃料成分の体積割合とから算出した。
【００６９】
【表２】
【００７０】
そして、図９（ａ）〜（ｆ）に示した混合燃料の実験結果に対して、予測誤差が小さくなるように、係数Ｃｉを最適化した。この最適化した係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４の値が、上記の図５（ａ）〜（ｃ）に示す値である。そして、７０ＲＯＮ混合燃料について、上記最適化した係数Ｃｉを含む混合燃料モデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を、図１０に示す。この比較より、７０ＲＯＮ混合燃料の燃焼時期を、クランク角度で±２°以内で予測できることが分かる。
【００７１】
さらに、９０ＲＯＮ燃料及び市場で取引されているレギュラーガソリンについて、上記最適化した係数Ｃｉを含む混合燃料モデル式を用いた予測結果と実験結果とを比較した。今回用いたレギュラーガソリンは、パラフィン系燃料をベースに、アロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素を全て含むものである。このレギュラーガソリンのＲＯＮは９０．９であり、ＭＯＮは８２．４であり、成分分析により得られた各燃料成分の体積割合を計算に用いた。この結果を図１１に示す。この結果より、９０ＲＯＮ燃料及びレギュラーガソリンの燃焼時期を、クランク角度で±３°以内で予測することができる。
【００７２】
したがって、上記混合燃料モデル式より、炭化水素燃料の燃焼時期を正確に予測することができる。また、この予測方法により予測された燃焼時期に応じて、燃焼時期が所定の時期になるように内燃機関の制御パラメータを制御することで、内燃機関の出力トルクを安定させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法に有用であり、この圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムにも有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１ エンジン（圧縮自己着火内燃機関）
６ 燃焼室
３０ エンジン制御ユニット（制御器）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法、該圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムに関する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃焼室内の炭化水素燃料（ガソリン等）を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関（予混合圧縮自己着火（Homogeneous Charge Compression Ignition：ＨＣＣＩ）内燃機関とも呼ばれる）が知られている（例えば特許文献１及び２参照）。この圧縮自己着火内燃機関においては、予め燃焼室内で燃料と空気とを略均一に混合させておき、この混合気が、圧縮行程において圧縮されて温度上昇するのに伴い、燃料分子と酸素分子との間の衝突エネルギーが増大して、その衝突エネルギーが閾値を越えた時点で燃料の自己着火が生じる。この圧縮自己着火内燃機関においては、自己着火のタイミングに応じて、内燃機関の出力トルクが変動するため、自己着火の時期、つまり燃料の燃焼時期を正確に予測する必要がある。
【０００３】
そこで、例えば非特許文献１に示されているように、燃料の自己着火のし易さを、その燃料のオクタン価と温度条件とに基づいて予測することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０９５５３９号公報
【特許文献２】特開２００１−３５５４４９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】柴田 元、他１名，「炭化水素の自己着火特性と燃料のＨＣＣＩインデックスの考え方（第２報）」，自動車技術会 ２００７ 春季大会 学術講演会前刷集 Ｎｏ．５４−０７，社団法人 自動車技術会，２００７年５月，ｐ．２９−３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記提案例の予測方法を検証した結果、同じオクタン価であっても、燃料成分の相違によって自己着火性に差があることが判明し、したがって、上記提案例の予測方法では、自己着火の時期、つまり燃料の燃焼時期を正確に予測することは困難である。
【０００７】
本発明は、斯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、圧縮自己着火内燃機関において、炭化水素燃料の燃焼時期を出来る限り正確に予測できるようにし、この予測結果に基づいて、上記内燃機関の出力トルクを安定させ得るようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明では、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関における該炭化水素燃料の燃焼時期を予測する、圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法を対象として、上記炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定する工程と、上記特定した各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出する工程と、上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出する工程と、上記各種類毎の第２関数の値を積算する工程と、上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測する工程と、を備えているものとした。
【０００９】
上記燃焼時期予測方法により、炭化水素成分の種類毎に、燃焼室内の温度（圧縮上死点温度が好ましい）に基づいて第１関数の値を求め、その第１関数の値とその種類の割合から第２関数の値を求め、各種類毎の第２関数の値の積算値に基づき、燃焼時期を予測する。これにより、炭化水素成分の種類毎に異なる温度依存性を反映した予測燃焼時期が得られ、炭化水素燃料の燃焼時期を正確に予測できるようになる。
【００１０】
上記各種類毎の第１関数は、上記燃焼室内の温度と当該種類のモータ法オクタン価との関数であり、上記第１関数の値を算出する工程は、上記特定した各種類毎に、上記温度と当該種類のモータ法オクタン価とに基づき第１関数の値を算出する工程であることが好ましい。
【００１１】
これにより、各種類毎のモータ法オクタン価を予測燃焼時期に反映することができ、炭化水素燃料の燃焼時期をより一層正確に予測できるようになる。
【００１２】
上記圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法は、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムに適用することができる。すなわち、圧縮自己着火内燃機関の制御方法では、上記圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法により予測された燃焼時期に基づき、上記内燃機関の制御パラメータを制御する工程を備えるものとする。
【００１３】
また、圧縮自己着火内燃機関システムでは、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関と、上記内燃機関を制御する制御器と、を備え、上記制御器は、上記炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定し、かつ、上記特定した各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出し、かつ、上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出し、かつ、上記各種類毎の第２関数の値を積算し、かつ、上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測し、かつ、上記予測された燃焼時期に基づき、上記内燃機関の制御パラメータを制御するものであるとする。
【００１４】
上記圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムにより、予測燃焼時期に応じて、燃焼時期が所定の時期になる（例えば着火時期が圧縮上死点付近になる）ように内燃機関の制御パラメータを制御することができ、この制御により、安定した出力トルクが得られるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明の圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法によると、炭化水素燃料の燃焼時期を正確に予測できるようになる。また、本発明の圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムによると、上記燃焼時期予測方法により予測された燃焼時期に応じて、燃焼時期が所定の時期になるように内燃機関の制御パラメータを制御することで、内燃機関の出力トルクを安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る圧縮自己着火内燃機関システムの構成を示す概略図である。
【図２】エンジンの燃焼モード（ＨＣＣＩモード又はＳＩモード）を選択するための制御マップの一例を示す図である。
【図３】エンジン制御ユニットによる制御動作を示すフローチャートである。
【図４】着火遅れ時間と燃料噴射時期との関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）は吸気温度と係数Ｃ２（詳しくはＣ２／［Ｆｕｅｌ２］）との関係を示すグラフであり、（ｂ）は吸気温度と係数Ｃ３（詳しくはＣ３／［Ｆｕｅｌ３］）との関係を示すグラフであり、（ｃ）は吸気温度と係数Ｃ４（詳しくはＣ４／［Ｆｕｅｌ４］）との関係を示すグラフである。
【図６】各種燃料について、吸気温度を変化させたときの、圧縮上死点後のクランク角度と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図７】パラフィン系炭化水素のみを含む燃料について、着火遅れ時間と圧縮上死点における燃焼室内の燃料モル密度との関係を調べた結果を示すグラフである。
【図８】パラフィン系炭化水素のみを含む燃料について、パラフィンモデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を示すグラフである。
【図９】７０ＲＯＮ混合燃料について、吸気温度を変化させたときの、パラフィンモデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を示すグラフである。
【図１０】７０ＲＯＮ混合燃料についての、混合燃料モデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を示すグラフである。
【図１１】９０ＲＯＮ燃料及びレギュラーガソリンについての、混合燃料モデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る圧縮自己着火内燃機関システムを示し、この圧縮自己着火内燃機関システムは、自動車等の車両に搭載された、圧縮自己着火内燃機関（予混合圧縮自己着火内燃機関とも呼ばれる）としてのエンジン１と、このエンジン１を制御する制御器としてのエンジン制御ユニット３０とを備えている。
【００１９】
エンジン１は、炭化水素燃料（特にガソリン）を使用する多気筒エンジンであって、図１の紙面に直交する方向に直列配置された複数の気筒２（例えば、４気筒、６気筒、…）を有するシリンダブロック３と、このシリンダブロック３の上側に配置されたシリンダヘッド４とを備えている。各気筒２にはピストン５が嵌挿され、ピストン５の上面とシリンダヘッド４の下面との間に所定容積の燃焼室６が形成されている。ピストン５は、コネクティングロッド８を介して、クランク軸７と連結されている。クランク軸７は、ピストン５の往復運動に伴って、該クランク軸７の中心軸回りに回転する。
【００２０】
上記シリンダヘッド４内には、気筒２毎に、燃焼室６の天井部に開口する吸気ポート９と排気ポート１０とがそれぞれ形成されている。吸気ポート９は、燃焼室６の天井部から斜め上方に延びてシリンダヘッド４の吸気側（図１では右側）の側壁に開口し、排気ポート１０は排気側（図１では左側）の側壁に開口している。吸気ポート９及び排気ポート１０の側壁の各開口部には、それぞれ、吸気通路２０及び排気通路２５が接続されている。
【００２１】
シリンダヘッド４には、気筒２毎に、吸気弁１１及び排気弁１２がそれぞれ設けられている。そして、吸気ポート９及び排気ポート１０は、それぞれ、吸気弁１１及び排気弁１２によって開閉される。吸気弁１１及び排気弁１２は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカムシャフト（図示せず）等を含む動弁機構１３により、クランク軸７の回転に同期して開閉駆動される。
【００２２】
吸気弁１１及び排気弁１２の各動弁機構１３には、それぞれ、可変バルブリフト機構（以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）という）１４と、可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）という）１５とが組み込まれている。ＶＶＬ１４は、カムシャフト（図示せず）に取り付けられたカムの揺動軌跡をエンジン制御ユニット３０からの指令に基づいて変更することにより、吸気弁１１及び排気弁１２のリフト量（開弁量）をエンジンの運転状態に応じて変更する。
【００２３】
ＶＶＴ１５は、クランク軸７に対するカムシャフト（図示せず）の回転位相をエンジン制御ユニット３０からの指令に基づいて変更することにより、吸気弁１１及び排気弁１２の開閉タイミング（位相角度）をエンジンの運転状態に応じて変更する。そして、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５の作動に応じて、吸気弁１１及び排気弁１２のリフト特性が変更され、その結果、各気筒２への吸入空気量や残留既燃ガス（内部ＥＧＲ）の量が調整される。なお、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５は、一般に用いられているものであって当業者には公知であるので、その詳しい説明は省略する。
【００２４】
また、シリンダヘッド４には、各気筒２の燃焼室６に臨むように点火プラグ１６が設けられている。点火プラグ１６は、その上方に設けられた点火回路１７からの給電に応じて、所定のタイミングで放電（火花点火）を行う。さらに、シリンダヘッド４には、吸気側の側方から燃焼室６に臨むように燃料噴射弁１８が設けられている。燃料噴射弁１８へは、高圧燃料ポンプ１９によって、燃料通路を介して、燃料タンクからの燃料が供給される。なお、高圧燃料ポンプ１９は、例えばスピール弁によって駆動され、燃料噴射弁１８への燃料の供給圧すなわち燃圧を低圧から高圧までの広い範囲で自在に変化させることができる。そして、燃料噴射弁１８は、所定の噴射タイミング（吸気行程等）で燃焼室６に対して燃料を直接噴射し、燃焼室６内に所定の空燃比の混合気を生成する。
【００２５】
エンジン１の吸気側には、吸気通路２０が配設されている。空気の流れ方向（矢印方向）にみて、吸気通路２０の下流端は、シリンダヘッド４の吸気側の側壁に接続されていて、吸気ポート９と連通している。そして、エアクリーナ（図示せず）によりダスト等の異物が除去された空気が、吸気通路２０と吸気ポート９とを順に通って、各気筒２の燃焼室６に供給される。
【００２６】
吸気通路２０の途中には、サージタンク２１が配設されている。サージタンク２１よりも上流側の吸気通路２０は、全気筒に共通な単一の通路（以下、共通吸気通路部という）となっている。この共通吸気通路部には、例えばバイワイヤー化した電子制御式のスロットル弁２２が配設されている。一方、サージタンク２１よりも下流側の吸気通路２０は、気筒２毎に分岐した通路（以下、分岐吸気通路部という）となっている。そして、スロットル弁２２により流量が調整された空気が、分岐吸気通路部を通って、各気筒２の燃焼室６に導入される。
【００２７】
エンジン１の排気側には、排気通路２５が配設されている。排気ガスの流れ方向（矢印方向）にみて、排気通路２５の上流端は、シリンダヘッド４の排気側の側壁に接続されていて、排気ポート１０と連通している。そして、各気筒２の燃焼室６で混合気が燃焼した後、その燃焼によって生成された既燃ガス（排気ガス）が排気通路２５を通って外部に排出される。排気通路２５の途中には、排気ガス中の有害成分を浄化する三元触媒を用いた触媒コンバータ２７が設けられている。このエンジン１では、ＮＯｘ生成量が少ないので、ＮＯｘの処理効率を高めるための特別な装置、例えばＮＯｘトラップ触媒等は設けられていない。
【００２８】
上記エンジン制御ユニット３０は、中央算出処理装置（ＣＰＵ）、各種メモリ等を有するコンピュータで構成されている。このエンジン制御ユニット３０は、クランク軸７の回転角（クランク角度）を検出するクランク角センサ３１、吸気通路２０内を流れる空気の量を検出するエアフローセンサ３２、アクセルペダル（図示せず）の操作量すなわちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３３、各気筒２の燃焼室６内の圧力すなわち筒内圧力を検出する筒内圧センサ３４、及び、当該エンジン１を搭載している車両の速度を検出する車速センサ３５と電気的に接続されている。ここで、筒内圧３４センサは、点火プラグ１６と一体形成されたものであって、点火プラグ１６内に内蔵されている。なお、筒内圧センサ３４を、燃料噴射弁１８と一体形成してもよい。
【００２９】
また、エンジン制御ユニット３０は、サージタンク２１内の空気の温度すなわち各気筒２の燃焼室６に供給される空気の温度（以下、吸気温度という）を検出する吸気温度センサ３６、高圧燃料ポンプ１９から燃料噴射弁１８に供給される燃料の圧力ないしは燃料噴射圧力を検出する燃圧センサ３７、及び、上記車両の燃料タンク内に設けられた燃料成分検出センサ３８と電気的に接続されている。これら各種センサ３１〜３８によって検出された各制御情報が、それぞれ電気信号としてエンジン制御ユニット３０に入力される。
【００３０】
上記燃料成分検出センサ３８は、上燃料タンク内の炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を検出するものである。本実施形態では、パラフィン系炭化水素、アロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素の４種類の炭化水素成分を検出する。
【００３１】
パラフィン系炭化水素は、炭素原子の数が２０以上のアルカン（鎖式飽和炭化水素）の総称であり、ノルマルパラフィンとイソパラフィンとを含む。
【００３２】
アロマティクス系炭化水素（芳香族炭化水素）は、一重結合と二重結合とが交互に並び、電子が非局在化した６つの炭素原子からなる単環又は複数の平面環をユニットとして構成されている。最も構造が単純なアロマティクス系炭化水素はベンゼンであり、ベンゼン環として知られている６つの炭素からなる環状化合物である。
【００３３】
オレフィン系炭化水素（アルケン）は、化学式ＣｎＨ２ｎ（ｎは２以上の自然数）で表される有機化合物であって、不飽和炭化水素の一種である。エチレン系炭化水素とも呼ばれる。Ｃ−Ｃ間の結合の中に二重結合を１つ持つ。
【００３４】
ナフテン系炭化水素は、分子中に環状構造を持つ飽和炭化水素である。シクロパラフィン系炭化水素とも呼ばれ、オレフィン系炭化水素と同一の分子式ＣｎＨ２ｎで表される。炭素数５のシクロペンタンや炭素数６のシクロヘキサン等がある。
【００３５】
上記エンジン制御ユニット３０は、上記各種センサ３１〜３８の検出値に基づいて、エンジン１の運転状態に応じて、ＶＶＬ１４、ＶＶＴ１５、点火回路１７、燃料噴射弁１８、高圧燃料ポンプ１９、スロットル弁２２等の動作を制御して、エンジン１の種々の制御を行う。例えば、エンジン制御ユニット３０は、エンジン１の運転状態に応じて、ＶＶＬ１４及びＶＶＴ１５を制御して吸気弁１１及び排気弁１２のリフト特性を変更することにより、エンジン１の吸排気に関する動作を制御したり、燃料噴射弁１８の燃料噴射量、燃料圧力（燃料噴射圧力）、噴射パルス幅及び燃料噴射時期、高圧燃料ポンプ１９の駆動状態及び吐出圧等を制御したりする。
【００３６】
エンジン制御ユニット３０は、点火プラグ１６を用いることなく吸気行程中に生成された混合気（炭化水素燃料）を圧縮上死点付近で圧縮自己着火させる均一充填圧縮自己着火モード（以下、ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）モードという）と、点火プラグ１６を用いて火花点火により混合気を強制的に着火させる火花点火モード（以下、ＳＩ（Spark Ignition）モードという）との間で、燃焼モードを切り替える。
【００３７】
ここで、エンジン制御ユニット３０による制御動作を図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００３８】
最初のステップＳ１で、各種信号を読み込み、次のステップＳ２で、アクセル開度センサ３からのアクセル開度と、クランク角センサ３１からのクランク角度から求まるエンジン回転速度とに基づき、エンジン負荷（目標トルク）を算出する。そして、次のステップＳ３で、そのエンジン回転速度及びエンジン負荷に基づいて、エンジン１の運転状態が、図２に示す制御マップにおいて、ＨＣＣＩ領域及びＳＩ領域のうちいずれの運転領域に該当するかを判定する。
【００３９】
上記制御マップには、図２に示すように、ＳＩ領域及びＨＣＣＩ領域の２つの運転領域が設定されている。そして、エンジン１の運転状態がＳＩ領域及びＨＣＣＩ領域のいずれにあるかに応じて、エンジンの燃焼モードが選択される。具体的には、高回転領域又は高負荷領域に設定されたＳＩ領域ではＳＩモードが選択され、低回転・低負荷領域に設定されたＨＣＣＩ領域ではＨＣＣＩモードが選択される。
【００４０】
次のステップＳ４で、エンジン１の運転状態がＨＣＣＩ領域にあるか否かを判定する。このステップＳ４の判定がＮＯであるとき、つまりエンジン１の運転状態がＳＩ領域にあるときには、ステップＳ５に進んで、燃焼モードをＳＩモードに設定するとともに、エンジン回転速度、エンジン負荷等に基づいて、ＳＩモードに対応した、エンジン１の各種制御パラメータを算出する。ステップＳ５の後はリターンする。
【００４１】
ＳＩモードでの運転時には、各気筒サイクルにおいて、排気弁１２の開弁期間と吸気弁１１の開弁期間とが、排気上死点（排気行程と吸気行程の間の上死点）付近で両弁１１，１２の開弁期間が若干オーバーラップするように設定される。そして、排気上死点後において、吸気弁１１が開弁された後に燃料噴射弁１８によって１回だけ通常の燃料噴射が行われる。この後、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程との間の上死点）付近で点火プラグ１６により混合気が点火され、混合気ないしは燃料が火炎伝播により燃焼する。
【００４２】
一方、ステップＳ４の判定がＹＥＳであるとき、つまりエンジン１の運転状態がＨＣＣＩ領域にあるときには、ステップＳ６に進んで、燃焼モードをＨＣＣＩモードに設定するとともに、エンジン回転速度、エンジン負荷等に基づいて、ＨＣＣＩモードに対応した、エンジン１の各種制御パラメータを算出する。
【００４３】
ＨＣＣＩモードでの運転時には、排気弁１２の開弁期間と吸気弁１１の開弁期間とが、排気上死点付近で両弁１１，１２が共に閉弁されるネガティブバルブオーバーラップ期間（ＮＶＯ期間）が存在するように設定される。そして、排気上死点後においてＮＶＯ期間が終了して吸気弁１１が開弁された後に、燃料噴射弁１８による燃料の噴射が行われる。この噴射された燃料は、燃焼室６内において混合気を形成し、その混合気が圧縮上死点付近においてそれ自体で（すなわち、他の点火手段又は着火手段を介することなく）自己着火する。その結果、混合気（燃料）は、火炎伝播を生じさせることなく急速に燃焼する。この場合、燃焼温度が火花点火の場合に比べて低いので、ＮＯｘ発生量が大幅に低減される。
【００４４】
本実施形態では、ＨＣＣＩモードでの運転時において、炭化水素燃料の炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合並びに燃焼室６内の温度（本実施形態では、圧縮上死点温度ＴTDCであり、この圧縮上死点温度ＴTDCは、筒内圧センサ３５により検出された圧力から求めるか、又は、吸気温度センサ３６により検出された吸気温度と有効圧縮比とから求める（ステップＳ７参照））に基づいて、炭化水素燃料の燃焼時期（Δｔ）を予測する（ステップＳ８参照）。
【００４５】
上記燃焼時期の予測は、以下の如く行う。すなわち、エンジン制御ユニット３０は、最初に、燃料成分検出センサ３８による検出結果に基づいて、炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定する。尚、燃料成分検出センサ３８による検出によらないで、予め定めた種類及び割合に特定してもよい。このことは特に、使用する燃料が決まっている場合に有効である。
【００４６】
次いで、エンジン制御ユニット３０は、上記特定した炭化水素成分の各種類毎に、燃焼室６内の圧縮上死点温度ＴTDCに基づき、該圧縮上死点温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数Ｆ１ｉの値を算出する。ここで、ｉは、１〜４の自然数であり、ｉ＝１は、パラフィン系炭化水素を示し、ｉ＝２は、アロマティクス系炭化水素を示し、ｉ＝３は、オレフィン系炭化水素を示し、ｉ＝４は、ナフテン系炭化水素を示す。例えばＦ１１は、パラフィン系炭化水素について設定された第１関数である。
【００４７】
上記各種類毎の第１関数Ｆ１ｉは、本実施形態では、式（１）で表される。
【００４８】
Ｆ１ｉ＝ＡＴTDCｎｅｘｐ（ｆ（ＭＯＮｉ）／ＴTDC） …（１）
ここで、Ａ＝４．６０×１０−３であり、ｎ＝５．７１である。また、ｆ（ＭＯＮｉ）は、式（２）で表される、ＭＯＮｉの関数である。ＭＯＮｉは、上記各種類毎のモータ法オクタン価である。
【００４９】
ｆ（ＭＯＮｉ）＝−７１．４×ＭＯＮｉ＋１．０９×１０４ …（２）
したがって、本実施形態では、各種類毎の第１関数Ｆ１ｉは、圧縮上死点温度ＴTDCと当該種類のモータ法オクタン価ＭＯＮｉとの関数であるといえる。
【００５０】
続いて、エンジン制御ユニット３０は、上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数Ｆ２ｉの値を算出する。この各種類毎の第１関数Ｆ２ｉは、本実施形態では、式（３）で表される。
【００５１】
Ｆ２ｉ＝Ｃｉ×Ｆ１ｉ×Ｍｉ …（３）
ここで、Ｍｉ＝［Ｆｕｅｌｉ］ｇ（ＭＯＮｉ）であり、［Ｆｕｅｌｉ］は、圧縮上死点における燃焼室６内の上記各種類のモル密度である。この各種類のモル密度は、上記割合及び空燃比並びに圧縮上死点における燃焼室６の体積から求まる。Ｃｉについては後述する。ｇ（ＭＯＮｉ）は、下記の式（４）で表される、ＭＯＮｉの関数である。
【００５２】
ｇ（ＭＯＮｉ）＝−０．４００×１０−２×ＭＯＮｉ＋０．３９３ …（４）
次いで、エンジン制御ユニット３０は、上記各種類毎の第２関数Ｆ２ｉの値を積算する。この積算値に基づき、エンジン１における炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測する。本実施形態では、炭化水素燃料の燃焼時期を、圧縮上死点前９０°クランク角度から燃料の質量燃焼割合（ＭＢＦ）５０％時期までの時間Δｔ（以下、着火遅れ時間という）で予測する。この着火遅れ時間Δｔの逆数が上記積算値となる。すなわち、下記の式（５）から着火遅れ時間Δｔが求まる。ここで、式（５）において、炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定した結果、特定されなかった種類（つまり燃料に含まれていない種類）の第２関数Ｆ２ｉの値は０である。
【００５３】
１／Δｔ＝Ｆ２１＋Ｆ２２＋Ｆ２３＋Ｆ２４
＝Ｃ１×Ｆ１１×Ｍ１＋Ｃ２×Ｆ１２×Ｍ２
＋Ｃ３×Ｆ１３×Ｍ３＋Ｃ４×Ｆ１４×Ｍ４ …（５）
Ｃｉは、燃料に通常含まれているパラフィン系炭化水素の反応に対する各種類の反応促進効果又は反応抑制効果（相互作用）を示す係数であり、係数Ｃ１は１とする。係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４は、それぞれアロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素のパラフィン系炭化水素に対する相互作用を示すものであり、係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４が正であれば、パラフィン系炭化水素の反応に対して促進効果を示し、上記積算値が増大する（着火遅れ時間Δｔが小さくなって燃焼時期が早くなる）。一方、係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４が負であれば、パラフィン系炭化水素の反応に対して抑制効果を示し、上記積算値が減少する（着火遅れ時間Δｔが大きくなって燃焼時期が遅くなる）。係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４の値は、上記着火遅れ時間Δｔの測定結果と計算結果（予測結果）との差が小さくなるように求めることができて、それぞれ図５（ａ）〜（ｃ）に示す如く、圧縮上死点における燃焼室６内の当該種類のモル密度が一定の条件で、吸気温度に応じて変化する（吸気温度が高いほど係数が大きくなる）。アロマティクス系炭化水素は、吸気温度によらず常に反応抑制効果を示す。オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素は、吸気温度が所定温度よりも高いときには、反応促進効果を示し、所定温度以下のときには、反応抑制効果を示す。
【００５４】
エンジン制御ユニット３０は、上記の如く式（５）より着火遅れ時間Δｔを算出した後、ステップＳ９において、その算出した着火遅れ時間Δｔに基づき、燃焼時期が所定の時期になる（例えば着火時期が圧縮上死点付近になる）ように、エンジン１の各種制御パラメータを制御する（本実施形態では、先にステップＳ６で算出した制御パラメータを補正する）。例えば、図４に示すように、着火遅れ時間Δｔが大きい（燃焼時期が遅い）ほど、燃料噴射時期を進角させて、燃料と空気とがより均一に混ざるようにする。或いは、着火遅れ時間Δｔが大きいほど、筒内温度が高くなるようにする。筒内温度を高くするには、有効圧縮比を大きくしたり、残留既燃ガス（内部ＥＧＲ）の量を多くしたりすればよい。ステップＳ９の後はリターンする。
【００５５】
ここで、上記式（５）を導いた経緯及び実験結果を説明することで、式（５）から炭化水素燃料の燃焼時期を正確に予測できることを説明する。
【００５６】
実験に用いたエンジンは、直噴式のＤＯＨＣ４バルブエンジンであって、ボア径が８７．５ｍｍ、ストロークが８３．１ｍｍであり、幾何学的圧縮比が１４であり、燃焼室はペントルーフタイプである。そして、エンジン冷却水温８８℃、オイル温度９０℃、エンジン回転速度１５００ｒｐｍという運転条件で自然吸気で運転した。また、現象を理解しやすいように外部吸気加熱装置を用いて吸入空気温度を上昇させた（１００℃〜２２５℃）。空燃比は４０〜８５である。
【００５７】
使用した燃料を表１に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
パラフィン系炭化水素のみで構成された７０ＲＯＮ（リサーチ法オクタン価）のＰａｒａ７０、８０ＲＯＮのＰａｒａ８０及び９０ＲＯＮのＰａｒａ９０に加え、７０ＲＯＮでは、パラフィン系炭化水素にアロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素をそれぞれ体積割合で約３０％混合したＡｒｏｍ７０、Ｏｌｅ７０及びＮａｐｈ７０を作製した。また、９０ＲＯＮでは、パラフィン系炭化水素にアロマティクス系炭化水素を体積割合で約３０％混合したＡｒｏｍ９０と、パラフィン系炭化水素にアロマティクス系炭化水素を体積割合で約３０％混合した燃料に、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素をそれぞれ体積割合で約２０％混合したＡｒｏｍ−Ｏｌｅ９０及びＡｒｏｍ−Ｎａｐｈ９０とを作製した。さらに、燃料による混合気形成の差異が生じないように、各種燃料の蒸発や微粒化に関係する蒸留特性、動粘度及び表面張力は同等となるように調製した。
【００６０】
吸気温度（Ｔｉｎ）を２２５℃から１００℃まで変化させ、全負荷（ＷＯＴ）にて運転可能な空燃比（Ａ／Ｆ）で、圧縮上死点後のクランク角度と熱発生率との関係を調べた。その結果を図６（ａ）〜（ｅ）に示す。同一ＲＯＮの燃料であるにも拘わらず、燃料成分が異なると着火性も異なることが分かる。すなわち、７０ＲＯＮ燃料においては、吸気温度２２５℃でＯｌｅ７０及びＮａｐｈ７０の燃焼時期はＰａｒａ７０に対して進角し、Ａｒｏｍ７０の燃焼時期はＰａｒａ７０と同等であった。しかし、吸気温度の低下に伴い、Ｎａｐｈ７０の燃焼時期は著しく遅角し、吸気温度１５０℃以下では運転できなかった。また、吸気温度１００℃では、Ｏｌｅ７０及びＡｒｏｍ７０の燃焼時期はＰａｒａ７０に対して進角した。また、９０ＲＯＮ燃料においては、吸気温度２２５℃のみで安定した運転が可能であり、このときの燃料成分間の着火性の傾向は７０ＲＯＮ燃料の吸気温度２２５℃のときと同等であった。
【００６１】
着火特性に対する燃料成分の影響を明らかにするために、まず、パラフィン系炭化水素のみを含む燃料（以下、パラフィン系燃料という）に対して、ＭＯＮを用いてアレニウス型の式で燃焼時期を定式化し、次に、このモデル式を用いて、複数の種類を混合した混合燃料の燃焼時期を予測して、この予測を実験結果と比較することで、燃料成分の影響を明らかにした。
【００６２】
図７は、パラフィン系燃料について、着火遅れ時間Δｔ（圧縮上死点前９０°クランク角度からＭＢＦ５０％時期までの時間）と、圧縮上死点における燃焼室６内の燃料モル密度［Ｆｕｅｌ］との関係を調べた結果を示す。この関係をアレニウス型の式（６）で定式化した。
【００６３】
１／Δｔ＝ＡＴｎｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）［Ｏ２］α［Ｆｕｅｌ］β …（６）
ここで、Ｅは活性化エネルギ、Ｒは気体定数、Ｔは筒内温度、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素モル密度、［Ｆｕｅｌ］は燃焼室内の燃料モル密度である。筒内温度Ｔ、［Ｏ２］及び［Ｆｕｅｌ］は圧縮上死点での値とし、ＭＯＮによる着火遅れ時間の変化に対応するために、活性化温度（−Ｅ／Ｒ）と燃料モル密度のべき乗βとをＭＯＮの関数とした。また、吸気温度によって酸素モル密度が決まるため、べき乗αは０とした。そして、図７の関係に合うようにすると、式（７）（以下、パラフィンモデル式という）のようになる。
【００６４】
１／Δｔ
＝ＡＴTDCｎｅｘｐ（ｆ（ＭＯＮ）／ＴTDC）［Ｆｕｅｌ］ｇ（ＭＯＮ） …（７）
ここで、Ａ＝４．６０×１０−３であり、ｎ＝５．７１である。また、ｆ（ＭＯＮ）及びｇ（ＭＯＮ）は、それぞれ式（８）及び式（９）で表される、ＭＯＮの関数である。
【００６５】
ｆ（ＭＯＮ）＝−７１．４×ＭＯＮ＋１．０９×１０４ …（８）
ｇ（ＭＯＮ）＝−０．４００×１０−２×ＭＯＮ＋０．３９３ …（９）
図８は、パラフィン系燃料について、上記パラフィンモデル式を用いた予測結果（ＭＢＦ５０％となる圧縮上死点後の予測クランク角度）と実験結果（ＭＢＦ５０％となる圧縮上死点後の実測クランク角度）との比較を示す。図８には、予測結果と実験結果とが一致するラインを引いている。この比較より、パラフィン系燃料については、圧縮上死点温度及びＭＯＮを指標とすることで、燃焼時期を正確に予測できることが分かる。
【００６６】
図９（ａ）〜（ｆ）は、７０ＲＯＮ混合燃料について、上記パラフィンモデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を、吸気温度毎に示すものである。これより、混合燃料の燃焼時期が、同一ＭＯＮのパラフィン系燃料に比べて促進されているのか、又は、抑制されているのかを知ることができる。吸気温度が２２５℃では、どの燃料もパラフィン系燃料と同等の着火特性となっているが、吸気温度の低下に伴って抑制効果が働き、その効果はＮａｐｈ７０で最も大きいことが分かる。
【００６７】
そこで、上記パラフィンモデル式を拡張して、パラフィン系燃料の反応速度に加えて、他の燃料成分の反応速度をも考慮する（パラフィンモデル式と同じモデル式とする）とともに、パラフィン系燃料の反応に対する促進効果又は抑制効果を示す係数をＣｉとして、上記式（５）を導いた。以下、式（５）を混合燃料モデル式という。
【００６８】
ここで、Δｔを計算する際、ＭＯＮ１、ＭＯＮ２、ＭＯＮ３及びＭＯＮ４は、表２に示した値を用いた。すなわち、実験に用いたアロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素を、トルエン、１−ペンテン及びシクロヘキサンでそれぞれ代表させ、パラフィン系燃料のＭＯＮは、各種混合燃料のＭＯＮと各燃料成分の体積割合とから算出した。
【００６９】
【表２】
【００７０】
そして、図９（ａ）〜（ｆ）に示した混合燃料の実験結果に対して、予測誤差が小さくなるように、係数Ｃｉを最適化した。この最適化した係数Ｃ２、Ｃ３及びＣ４の値が、上記の図５（ａ）〜（ｃ）に示す値である。そして、７０ＲＯＮ混合燃料について、上記最適化した係数Ｃｉを含む混合燃料モデル式を用いた予測結果と実験結果との比較を、図１０に示す。この比較より、７０ＲＯＮ混合燃料の燃焼時期を、クランク角度で±２°以内で予測できることが分かる。
【００７１】
さらに、９０ＲＯＮ燃料及び市場で取引されているレギュラーガソリンについて、上記最適化した係数Ｃｉを含む混合燃料モデル式を用いた予測結果と実験結果とを比較した。今回用いたレギュラーガソリンは、パラフィン系燃料をベースに、アロマティクス系炭化水素、オレフィン系炭化水素及びナフテン系炭化水素を全て含むものである。このレギュラーガソリンのＲＯＮは９０．９であり、ＭＯＮは８２．４であり、成分分析により得られた各燃料成分の体積割合を計算に用いた。この結果を図１１に示す。この結果より、９０ＲＯＮ燃料及びレギュラーガソリンの燃焼時期を、クランク角度で±３°以内で予測することができる。
【００７２】
したがって、上記混合燃料モデル式より、炭化水素燃料の燃焼時期を正確に予測することができる。また、この予測方法により予測された燃焼時期に応じて、燃焼時期が所定の時期になるように内燃機関の制御パラメータを制御することで、内燃機関の出力トルクを安定させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法に有用であり、この圧縮自己着火内燃機関の制御方法及び圧縮自己着火内燃機関システムにも有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１ エンジン（圧縮自己着火内燃機関）
６ 燃焼室
３０ エンジン制御ユニット（制御器）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関における該炭化水素燃料の燃焼時期を予測する、圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法であって、
上記炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定する工程と、
上記特定した各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出する工程と、
上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出する工程と、
上記各種類毎の第２関数の値を積算する工程と、
上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測する工程と、を備えていることを特徴とする圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法。
【請求項２】
請求項１記載の圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法において、
上記各種類毎の第１関数は、上記燃焼室内の温度と当該種類のモータ法オクタン価との関数であり、
上記第１関数の値を算出する工程は、上記特定した各種類毎に、上記温度と当該種類のモータ法オクタン価とに基づき第１関数の値を算出する工程であることを特徴とする圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法。
【請求項３】
燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関の制御方法であって、
請求項１又は２記載の圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法により予測された燃焼時期に基づき、上記内燃機関の制御パラメータを制御する工程を備えていることを特徴とする圧縮自己着火内燃機関の制御方法。
【請求項４】
燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関と、
上記内燃機関を制御する制御器と、を備えた圧縮自己着火内燃機関システムであって、
上記制御器は、
上記炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定し、かつ、
上記特定した各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出し、かつ、
上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出し、かつ、
上記各種類毎の第２関数の値を積算し、かつ、
上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測し、かつ、
上記予測された燃焼時期に基づき、上記内燃機関の制御パラメータを制御するものである、ことを特徴とする圧縮自己着火内燃機関システム。
【請求項１】
燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関における該炭化水素燃料の燃焼時期を予測する、圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法であって、
上記炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定する工程と、
上記特定した各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出する工程と、
上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出する工程と、
上記各種類毎の第２関数の値を積算する工程と、
上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測する工程と、を備えていることを特徴とする圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法。
【請求項２】
請求項１記載の圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法において、
上記各種類毎の第１関数は、上記燃焼室内の温度と当該種類のモータ法オクタン価との関数であり、
上記第１関数の値を算出する工程は、上記特定した各種類毎に、上記温度と当該種類のモータ法オクタン価とに基づき第１関数の値を算出する工程であることを特徴とする圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法。
【請求項３】
燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関の制御方法であって、
請求項１又は２記載の圧縮自己着火内燃機関の燃焼時期予測方法により予測された燃焼時期に基づき、上記内燃機関の制御パラメータを制御する工程を備えていることを特徴とする圧縮自己着火内燃機関の制御方法。
【請求項４】
燃焼室内の炭化水素燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火内燃機関と、
上記内燃機関を制御する制御器と、を備えた圧縮自己着火内燃機関システムであって、
上記制御器は、
上記炭化水素燃料に含まれる炭化水素成分の種類及び該種類毎の炭化水素燃料中の割合を特定し、かつ、
上記特定した各種類毎に、上記内燃機関の燃焼室内の温度に基づき、該温度の関数として各種類毎にそれぞれ設定した第１関数の値を算出し、かつ、
上記特定した各種類毎に、当該種類の上記第１関数の値及び上記割合に基づき、該第１関数の値及び割合のいずれが増大しても値が増大する関数として各種類毎にそれぞれ設定した第２関数の値を算出し、かつ、
上記各種類毎の第２関数の値を積算し、かつ、
上記第２関数の値の積算値に基づき、上記内燃機関における上記炭化水素燃料の燃焼時期を、該積算値の増大に応じて遅くなるように予測し、かつ、
上記予測された燃焼時期に基づき、上記内燃機関の制御パラメータを制御するものである、ことを特徴とする圧縮自己着火内燃機関システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−８０３９５（Ｐ２０１１−８０３９５Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３２１８４（Ｐ２００９−２３２１８４）
【出願日】平成２１年１０月６日（２００９．１０．６）
【出願人】（０００１０５５６７）コスモ石油株式会社 (443)
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月６日（２００９．１０．６）
【出願人】（０００１０５５６７）コスモ石油株式会社 (443)
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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