JP2001280183A - Internal combustion engine - Google Patents

Internal combustion engine

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JP2001280183A
JP2001280183A JP2000097765A JP2000097765A JP2001280183A JP 2001280183 A JP2001280183 A JP 2001280183A JP 2000097765 A JP2000097765 A JP 2000097765A JP 2000097765 A JP2000097765 A JP 2000097765A JP 2001280183 A JP2001280183 A JP 2001280183A
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JP
Japan
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air
amount
cylinder
fuel
internal combustion
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Application number
JP2000097765A
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Japanese (ja)
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Michitaka Nakano
道王 中野
Yoshiyuki Mandokoro
良行 政所
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Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/12Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize high heat efficiency by reducing the discharge concentration of nitrogen oxides in a wide engine speed and load range. SOLUTION: A compression ignition-type or spark ignition-type internal combustion engine supplies uniform stoichimetic mixture formed of air and fuel to a cylinder without heating it and makes the stoichiometic mixture having a compression rate at which selfignition is possible and knocking is generated. The fuel amount smaller than the stoichiometic mixture in the cylinder is supplied, either the air amount in the cylinder or the remaining gas amount is changed, and self-ignition of mixture is generated in the cylinder in a wide range of the air-fuel ratio according to the engine speed and the amount of fuel to be supplied, and therefore, the air supply amount and the remaining gas amount are adjusted to self-ignite and burn lean mixture.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮による可燃混
合気の自着火を利用し、空気量と残留ガス量を制御して
混合気を自着火燃焼させ、広い機関回転数と負荷の範囲
で窒素酸化物の排出濃度を低減し高い熱効率を実現する
内燃機関に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention utilizes the self-ignition of a combustible air-fuel mixture by compression, controls the amount of air and the amount of residual gas, and self-ignites the air-fuel mixture. The present invention relates to an internal combustion engine that realizes high thermal efficiency by reducing the emission concentration of nitrogen oxides.

【0002】[0002]

【従来の技術】内燃機関において、事前に燃料と空気を
混合した混合気を空燃比に関わらず適切な時期に燃焼さ
せ、これにより出力を調節することができれば機関の熱
効率は向上する。これは、主にポンプ損失の低減と希薄
混合気の高い比熱比により達成されることは周知であ
る。また、燃焼による熱発生を短期間で完了させる、即
ち燃焼期間を短縮すれば、等容度が向上し熱効率が向上
することも知られている。一方、内燃機関において十分
に希薄化した混合気を燃焼させることで、窒素酸化物の
排出が大幅に低減されることが知られている。そして、
これらの特性に着目した希薄混合気の圧縮自着火燃焼方
式を採用する圧縮自着火式内燃機関では、高い熱効率を
得ると共に窒素酸化物の排出濃度を数ppm以下に抑制で
きることが知られている。
2. Description of the Related Art In an internal combustion engine, if an air-fuel mixture in which fuel and air are mixed in advance is burned at an appropriate time regardless of the air-fuel ratio, and the output can be adjusted, the thermal efficiency of the engine is improved. It is well known that this is achieved primarily by a reduction in pump losses and a high specific heat ratio of the lean mixture. It is also known that if the generation of heat by combustion is completed in a short period of time, that is, if the combustion period is shortened, isocapacity is improved and thermal efficiency is improved. On the other hand, it is known that the combustion of a sufficiently diluted mixture in an internal combustion engine significantly reduces the emission of nitrogen oxides. And
It is known that a compression ignition internal combustion engine employing a compression ignition combustion scheme of a lean mixture that focuses on these characteristics can achieve high thermal efficiency and suppress the emission concentration of nitrogen oxides to several ppm or less.

【0003】しかし、前記圧縮自着火式内燃機関では、
その自着火の発生が混合気の反応性とピストン圧縮に伴
う圧力と温度の上昇履歴に依存し、そのため広い機関回
転数や要求負荷の範囲で適切な着火時期を維持すること
は困難であった。また、高負荷においては、燃料供給量
が増すことから窒素酸化物の排出が増大すると同時に、
短時間に多量の発熱が行われることからノッキングに類
似した圧力振動やより低周波数の燃焼騒音が発生する。
また、未燃燃料を含む炭化水素化合物や一酸化炭素の排
出濃度は低くなく、これらは低負荷で増大する傾向を有
する。
However, in the above-mentioned compression self-ignition type internal combustion engine,
The occurrence of the self-ignition depends on the reactivity of the air-fuel mixture and the history of pressure and temperature rise associated with piston compression, making it difficult to maintain an appropriate ignition timing over a wide range of engine speeds and required loads. . In addition, at high load, the emission of nitrogen oxides increases due to the increased fuel supply,
Since a large amount of heat is generated in a short time, pressure vibration similar to knocking and lower frequency combustion noise are generated.
Further, the emission concentrations of hydrocarbon compounds and carbon monoxide containing unburned fuel are not low, and they tend to increase at low load.

【0004】前記圧縮自着火式内燃機関において、広い
機関回転数や要求負荷の範囲で適切な着火時期を維持す
ることを目的として、圧縮比可変システムや燃料性状に
よる自着火制御などが提案され、いずれの手法も理論上
は着火時期を調節することができる。しかし、該圧縮比
可変システムとしてピストンの移動量を変化させる機構
やシリンダヘッド部を移動させる機構などは実現が困難
である。また、燃焼室内に副室又は副ピストンを設け燃
焼室容積の連続変化を行うシステムは構造の複雑さなど
から実用化されていない。即ち、圧縮比だけを自在に変
化させる手段の実現は容易なことではない。
In the compression ignition type internal combustion engine, a variable compression ratio system, self ignition control based on fuel properties, and the like have been proposed for the purpose of maintaining an appropriate ignition timing in a wide range of engine speed and required load. In either case, the ignition timing can be adjusted in theory. However, it is difficult to realize a mechanism that changes the amount of movement of the piston or a mechanism that moves the cylinder head as the variable compression ratio system. Further, a system in which a sub-chamber or a sub-piston is provided in the combustion chamber to continuously change the volume of the combustion chamber has not been put into practical use due to its complicated structure. That is, it is not easy to realize a means for freely changing only the compression ratio.

【0005】一方、吸気弁の閉鎖時期を変化させること
で有効圧縮比を変化させる手段は実用化されているが、
リフト曲線を変化させない限り吸気弁の開く時期も同時
に変化するため、吸排気弁の両方が開いているオーバー
ラップ期間や弁とピストンの干渉にも考慮する必要があ
り、そのために圧縮比を広い範囲に変化させることが難
しい。さらに、高負荷においては早期着火を抑制するた
めに圧縮比を下げることが要求されるが、これと同時に
動作ガス量も低下するために出力を高めるためには過給
機による空気量増大が必要であり、機構と制御が複雑に
なるという問題点がある。
Means for changing the effective compression ratio by changing the closing timing of the intake valve has been put to practical use.
Unless the lift curve is changed, the opening timing of the intake valve also changes at the same time, so it is necessary to consider the overlap period when both the intake and exhaust valves are open and the interference between the valve and the piston. It is difficult to change. Furthermore, at high loads, it is necessary to reduce the compression ratio to suppress early ignition, but at the same time, the amount of operating gas also decreases, so increasing the output requires an increase in the amount of air by the turbocharger. However, there is a problem that the mechanism and the control become complicated.

【0006】また、燃料性状を変えることで自着火特性
を変化させる手段は、燃料を提供する社会基盤の問題が
解決されなければならないため、現在において実用化で
きる技術ではない。
Further, the means for changing the self-ignition characteristics by changing the properties of the fuel is not a technology that can be practically used at present because the problem of the social infrastructure for providing the fuel must be solved.

【0007】さらに、高負荷における窒素酸化物を低減
するために、大量の空気を過給機により供給する方法が
考えられるが、これはノッキングに類似した燃焼騒音を
増大させる場合があることがあり、その場合には運転の
継続ができない。また、大量の空気を過給するために必
要な動力が増大することから、エンジンシステム全体の
効率は低下することがある。
Furthermore, in order to reduce nitrogen oxides at high load, a method of supplying a large amount of air by a supercharger is conceivable, but this may increase combustion noise similar to knocking. In that case, the operation cannot be continued. Also, the efficiency of the entire engine system may decrease due to the increased power required to supercharge a large amount of air.

【0008】また、大量の排気を還流させる又はシリン
ダ内に残留させることで高負荷における窒素酸化物の低
減とノッキングに類似した燃焼騒音を抑制する手法も考
えられているが、希釈物質の濃度が高い条件で自着火さ
せるためには混合気の温度を高める必要があり、即ち燃
焼時の温度はあまり低下させることができず、窒素酸化
物及び燃焼騒音を十分に低減できないことは発明者らの
研究(中野他, ”予混合圧縮自着火エンジンの燃焼特性
と自着火制御”, (社)自動車技術会 No.9910シンポジ
ウム, (1999), p20-25.)から明らかにされている。
A method of reducing nitrogen oxides under high load and suppressing combustion noise similar to knocking by circulating a large amount of exhaust gas or remaining in a cylinder has been considered. To self-ignite under high conditions, it is necessary to raise the temperature of the air-fuel mixture, that is, the temperature at the time of combustion cannot be reduced so much, and that the nitrogen oxides and combustion noise cannot be sufficiently reduced. Research (Nakano et al., "Combustion Characteristics and Auto-Ignition Control of Premixed Compression Ignition Engines", Automotive Engineering Society No.9910 Symposium, (1999), p20-25.)

【0009】さらに、高負荷で排気の空燃比を理論空燃
比に近づけ三元触媒又は選択還元型触媒により窒素酸化
物の浄化を行う手法が考えられるが、中負荷以下の希薄
な混合気による燃焼から短時間に理論空燃比に変化させ
ることができなければ空燃比が18付近の窒素酸化物の
排出濃度が高い条件を使用することになり、これは前記
の触媒では十分に低減できないことは周知である。
Further, a method of purifying nitrogen oxides with a three-way catalyst or a selective reduction catalyst by bringing the air-fuel ratio of exhaust gas close to the stoichiometric air-fuel ratio at a high load can be considered. If it is not possible to change the stoichiometric air-fuel ratio in a short period of time, it is necessary to use a condition in which the air-fuel ratio is around 18 and the emission concentration of nitrogen oxides is high. It is.

【0010】また、触媒として吸蔵還元型触媒を用いる
ことが考えられるが、この手段においては広い要求負荷
条件でリッチな排気を形成する手法が必要となる。燃焼
をリッチな混合気で実現するためには、大量の排気又は
既燃ガスをシリンダ内に供給する手法やスロットルによ
る空気量を減少させる手法が考えられる。しかし、いず
れの手法についても、前記圧縮自着火式内燃機関におい
て失火を発生させることなく短期間にリッチな燃焼に移
行した報告はなく、その実現には容易なことではない。
It is conceivable to use an occlusion reduction type catalyst as the catalyst, but this means requires a method of forming rich exhaust gas under a wide range of required load conditions. In order to realize the combustion with a rich air-fuel mixture, a method of supplying a large amount of exhaust gas or burned gas into the cylinder or a method of reducing the amount of air by a throttle can be considered. However, there is no report that any of the methods has shifted to rich combustion in a short period of time without causing misfire in the compression ignition type internal combustion engine, and it is not easy to realize the method.

【0011】以上の理由から、幅広い運転条件に対して
予混合気の圧縮自着火燃焼を適用し窒素酸化物の排出量
低減と高い熱効率を両立する内燃機関は未だに実用化が
なされていない。
[0011] For the above reasons, an internal combustion engine that achieves both a reduced emission of nitrogen oxides and high thermal efficiency by applying compressed auto-ignition combustion of a premixed gas to a wide range of operating conditions has not yet been put to practical use.

【0012】一方、前のサイクルで生成された既燃ガス
を新規に供給された空気と混合し、自着火燃焼を発生さ
せる手法については、例えば特開平11-236833号公報で
開示されている。該発明は4ストロークサイクル式機関
に吸排気弁の開閉時期を変化させる手段を具備すること
で、混合気の温度と希釈の効果を調節し、所望の燃焼を
達成するものである。
On the other hand, a technique for mixing the burned gas generated in the previous cycle with newly supplied air to generate self-ignition combustion is disclosed in, for example, JP-A-11-236833. According to the invention, a four-stroke cycle type engine is provided with means for changing the opening / closing timing of intake and exhaust valves, whereby the temperature of the air-fuel mixture and the effect of dilution are adjusted to achieve desired combustion.

【0013】しかしながら、4ストロークサイクル式内
燃機関において、頭上弁の開閉時期を大幅に変化させる
場合には、ピストンが上死点近傍にある時の弁とピスト
ン上面との接触を回避することが必要となるが、圧縮比
の高い内燃機関においてこれを回避するためには弁のリ
フト量を複雑に変化させる機構を必要とする。また、排
気弁を上死点前の早い時期に閉じることで、該既燃ガス
のシリンダ外への放出を防止することも考えられている
が、三次元カムや前記油圧制御弁などを用いて排気弁の
開く時期が大幅に早くなることを防止しなければ、膨張
行程の短縮による熱効率の低下を招くため、実現のため
に複雑な機構を必要とすることに変わりはない。
However, in a four-stroke cycle internal combustion engine, when the opening / closing timing of the overhead valve is largely changed, it is necessary to avoid contact between the valve and the upper surface of the piston when the piston is near top dead center. However, in order to avoid this in an internal combustion engine having a high compression ratio, a mechanism for changing the valve lift in a complicated manner is required. It has also been considered to prevent the burned gas from being released to the outside of the cylinder by closing the exhaust valve early before the top dead center, but using a three-dimensional cam, the hydraulic control valve, or the like has been considered. Unless the opening timing of the exhaust valve is prevented from being greatly advanced, a reduction in thermal efficiency due to a shortening of the expansion stroke will be caused, and a complicated mechanism will still be required for realization.

【0014】さらに、4ストロークサイクル式内燃機関
において、上記弁の開閉時期の調節により前のサイクル
で生成された既燃ガスをシリンダ内に残存させる場合、
該既燃ガスの多くは一旦吸気通路又は排気通路に排出さ
れた後に再吸入される過程を要するが、この過程におい
て該既燃ガスの温度は低下する。そのため、該既燃ガス
の着火促進効果も低下することになり、即ち広い運転範
囲において自着火燃焼を調節することが困難となる。
Further, in the four-stroke cycle type internal combustion engine, when the burned gas generated in the previous cycle is left in the cylinder by adjusting the opening / closing timing of the valve,
Most of the burned gas requires a process of once being discharged into the intake passage or the exhaust passage and then re-inhaled. In this process, the temperature of the burned gas decreases. Therefore, the effect of promoting the ignition of the burned gas is also reduced, that is, it becomes difficult to adjust the self-ignition combustion in a wide operating range.

【0015】また、該発明では、要求負荷の増大と共に
シリンダ内の混合気の空燃比を理論混合比に近づけると
されているが、この場合、比較的高い負荷では窒素酸化
物の発生が多量となる空燃比18付近を使用しなければな
らず多量の窒素酸化物の排出が問題となる。また、該発
明では、要求負荷に関わらずシリンダ内の混合気の空燃
比を理論混合比とする内燃機関が示されているが、この
場合には大量の該既燃ガスにより比熱比が低下し熱効率
の低下が避けられないことは熱力学の基本的な知識で説
明される。以上より、該発明にて開示されている手法に
基づいて圧縮自着火燃焼を幅広い運転条件で実現する内
燃機関の実現が容易ではない。
According to the present invention, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the cylinder is made closer to the stoichiometric ratio with an increase in the required load. In this case, a relatively high load generates a large amount of nitrogen oxides. It is necessary to use an air-fuel ratio of around 18, which causes a problem of emission of a large amount of nitrogen oxides. Further, in the present invention, an internal combustion engine in which the stoichiometric air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the cylinder is used irrespective of the required load is shown. In this case, however, the specific heat ratio is reduced by a large amount of the burned gas. The inevitable decrease in thermal efficiency is explained by basic knowledge of thermodynamics. As described above, it is not easy to realize an internal combustion engine that realizes compression ignition combustion under a wide range of operating conditions based on the method disclosed in the present invention.

【0016】一方、2ストロークサイクル式ディーゼル
機関に関して、例えば特開平11-153043号公報に開示さ
れた発明がある。該発明は、圧縮行程の早期に燃料を高
分散化してシリンダ内に供給するという手段や、少なく
とも供給される最大燃料量の1/2までは機械式過給機の
使用を要さず給気比の積極的な制御を必要としないとい
う手法などから、該発明が従来のディーゼル機関におけ
る燃焼に高分散噴霧を組合せたものであると共に高負荷
条件のスモークと窒素酸化物を低減するための手法を具
現化するものであり、本発明とは本質的に異なる課題を
対象としたものである。
On the other hand, with respect to a two-stroke cycle type diesel engine, there is an invention disclosed in, for example, JP-A-11-153043. The invention provides a means for dispersing and supplying fuel to a cylinder at an early stage of a compression stroke, and for supplying air to a cylinder without using a mechanical supercharger at least up to half of the maximum fuel amount to be supplied. The present invention combines a conventional diesel engine with high-dispersion spraying and a method for reducing smoke and nitrogen oxides under high-load conditions from a method that does not require active control of the ratio. The present invention is directed to a subject that is substantially different from the present invention.

【0017】また、2ストロークサイクル式内燃機関に
おいて、掃気行程完了後においてもシリンダ内に残留す
る前サイクルの既燃ガス、すなわち残留ガスを積極的に
用いることで自着火燃焼を誘発する手法として、ATAC
(S. Ohnishi et al., "Active Thermo-Atomosphere Co
mbustion (ATAC) - A New Combsution Process for Int
ernal Combustion Engines", SAE Paper 790501, (197
9).)やAR燃焼(Y. Ishibashi et al., "A Low Pressur
e Pneumatic Direct Injection Two-Stroke Engineby A
ctivated Radical Combustion Concept", SAE paper 98
0757, (1998).)に代表される手法が既に存在する。
Further, in a two-stroke cycle type internal combustion engine, a method for inducing self-ignition combustion by positively using burned gas of the previous cycle, that is, residual gas remaining in the cylinder even after completion of the scavenging stroke, ATAC
(S. Ohnishi et al., "Active Thermo-Atomosphere Co
mbustion (ATAC)-A New Combsution Process for Int
ernal Combustion Engines ", SAE Paper 790501, (197
9).) And AR combustion (Y. Ishibashi et al., "A Low Pressur
e Pneumatic Direct Injection Two-Stroke Engineby A
ctivated Radical Combustion Concept ", SAE paper 98
0757, (1998).) Already exists.

【0018】しかしながら、これらの従来技術は理論混
合比付近で使用される2ストロークサイクル式内燃機関
における低負荷での不整燃焼を改善し、不完全な燃焼に
よる有害物質の排出や燃料消費量の増大を抑制すること
を目的としたもので、本発明が解決しようとする課題と
は明らかに異なる課題を解決しようとしたものである。
However, these prior arts improve the irregular combustion at low load in a two-stroke cycle type internal combustion engine used near the stoichiometric ratio, and emit harmful substances and increase fuel consumption due to incomplete combustion. It is intended to solve a problem that is clearly different from the problem to be solved by the present invention.

【0019】さらに、これらの自着火燃焼を用いた2ス
トロークサイクル式内燃機関に関する従来技術では、高
負荷での火花点火燃焼による運転時にノッキングなどの
異常燃焼を回避するために圧縮比を概ね8以下にしなけ
ればならないと共に空燃比を理論混合比付近とすること
から高い熱効率を期待することはできない。
Further, in the prior art relating to the two-stroke cycle type internal combustion engine using self-ignition combustion, the compression ratio is generally set to 8 or less in order to avoid abnormal combustion such as knocking during operation by spark ignition combustion under high load. However, since the air-fuel ratio is close to the stoichiometric ratio, high thermal efficiency cannot be expected.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】前記のように内燃機関
の熱効率を高めるためには、希薄な混合気を高い圧縮比
において短時間で燃焼させることが重要である。図1は
数値シミュレーションによる空燃比と熱効率の関係を示
す。図1を参照すれば、空燃比をリーンにすることで熱
効率が向上することが理解できる。但し、極端な希薄化
を実現しても燃料からの発熱量の大部分が熱損失により
消費されるために熱効率の向上に効果がないことが理解
できる。
As described above, in order to increase the thermal efficiency of an internal combustion engine, it is important to burn a lean mixture at a high compression ratio in a short time. FIG. 1 shows the relationship between the air-fuel ratio and the thermal efficiency by numerical simulation. Referring to FIG. 1, it can be understood that a lean air-fuel ratio improves the thermal efficiency. However, it can be understood that even if extreme leaning is realized, most of the calorific value from the fuel is consumed by heat loss, so that there is no effect on improving the thermal efficiency.

【0021】一方、図2は数値シミュレーションによる
圧縮比及び燃焼期間と熱効率の関係を示す。図2を参照
すれば高い圧縮比と短い燃焼期間により熱効率が向上す
ることが理解できる。実際の内燃機関においては極端に
高い圧縮比は摩擦損失を増大させるため、一般的には圧
縮比を14前後より高めても機関の効率はほとんど向上
しないと言われる。また、燃焼期間については、極端に
短い燃焼期間がシリンダ内圧力の上昇速度や最大値を高
めることによる機関の損傷が心配されることから、従来
の火花点火式内燃機関よりも短期間であるクランク角1
0度前後が適当と言える。この燃焼は上死点近傍の適切
な時期に開始されなければ高い熱効率を実現することは
できない。また、窒素酸化物の排出量は、希薄な混合気
を燃焼させることで低減できる。従来の希薄な予混合気
を圧縮自着火させる燃焼方法は、これらの燃焼の特徴を
実現することを目的として研究開発がなされている。
FIG. 2 shows the relationship between the compression ratio, the combustion period, and the thermal efficiency by numerical simulation. Referring to FIG. 2, it can be understood that a high compression ratio and a short combustion period improve thermal efficiency. In an actual internal combustion engine, an extremely high compression ratio increases frictional loss, so it is generally said that increasing the compression ratio above about 14 does not substantially improve engine efficiency. The combustion period is shorter than that of the conventional spark ignition type internal combustion engine because an extremely short combustion period may cause damage to the engine due to an increase in the rate of increase of the pressure in the cylinder or the maximum value. Corner 1
Around 0 degrees is appropriate. Unless this combustion is started at an appropriate time near the top dead center, high thermal efficiency cannot be realized. Further, the emission amount of nitrogen oxides can be reduced by burning a lean mixture. A conventional combustion method for compressively igniting a lean premixed gas has been researched and developed for the purpose of realizing these combustion characteristics.

【0022】しかし、予混合気を圧縮自着火させる燃焼
方法又はこれに類似した燃焼方法を用い、幅広い運転条
件において高い熱効率と低い窒素酸化物排出濃度を両立
した実現可能な構成に基づく自着火式内燃機関は提案さ
れていない。
However, a self-ignition system based on a feasible configuration that achieves both high thermal efficiency and low nitrogen oxide emission concentration under a wide range of operating conditions using a combustion method of compressively igniting a premixed gas or a combustion method similar thereto. No internal combustion engine has been proposed.

【0023】[0023]

【課題を解決するための着眼と研究】本発明で解決する
課題は、混合気の圧縮自着火燃焼を、容易に実現可能な
手段により広い機関回転数と要求負荷の範囲で所望の時
期に発生させる圧縮自着火式内燃機関を提供することに
ある。
The problem to be solved by the present invention is to generate compressed auto-ignition combustion of an air-fuel mixture at a desired time within a wide range of engine speed and required load by means that can be easily realized. It is an object of the present invention to provide a compression self-ignition internal combustion engine.

【0024】また、この手段により、圧縮自着火燃焼を
適切な時期に発生させ、窒素酸化物の排出濃度の低減と
高い熱効率を実現した圧縮自着火式内燃機関を提供する
ことにある。
It is another object of the present invention to provide a compression ignition type internal combustion engine which generates compression ignition combustion at an appropriate time and reduces the emission concentration of nitrogen oxides and realizes high thermal efficiency.

【0025】本発明者らは、自着火燃焼が混合気の反応
性と温度により強く影響されることに着眼した。混合気
の反応性とは、燃料性状、空燃比、既燃ガスなどの希釈
ガスの濃度により変化する。混合気の温度は、圧縮開始
前の温度や圧縮行程中の温度変化による温度履歴として
混合気の自着火に影響する。前記圧縮自着火式内燃機関
に対して、使用する燃料が限定され、要求出力にとって
必要な供給燃料量と機関回転数を決定したとき、制御可
能な要素は空燃比と希釈ガスの濃度と混合気の温度履歴
になる。これら3つの要素を個別に制御すること(例え
ば、吸気絞りによる新規空気量の調節と排気ガス再循環
(EGR)による既燃ガスの導入と吸気過熱又は冷却によ
る温度制御)は不可能ではないが、それは従来の発明や
研究発表で示されたものと同様に実現困難な複雑な手法
となる。そこで、簡易な手法で空燃比と希釈ガスの濃度
と混合気の温度履歴を制御し、広い範囲で前記圧縮自着
火式内燃機関の着火を実現する手法が必要となる。
The present inventors have observed that auto-ignition combustion is strongly affected by the reactivity and temperature of the mixture. The reactivity of the air-fuel mixture changes depending on the fuel property, the air-fuel ratio, and the concentration of a diluent gas such as burned gas. The temperature of the air-fuel mixture affects the self-ignition of the air-fuel mixture as a temperature history due to a temperature before the start of compression or a temperature change during the compression stroke. For the compression ignition type internal combustion engine, the fuel to be used is limited, and when the supply fuel amount and the engine speed required for the required output are determined, the controllable elements are the air-fuel ratio, the concentration of the dilution gas, and the air-fuel mixture. Temperature history. It is not impossible to control these three elements individually (for example, adjusting the amount of new air by intake throttle, introducing burned gas by exhaust gas recirculation (EGR), and controlling the temperature by heating or cooling the intake air). , It is a complex approach that is as difficult to implement as that shown in previous inventions and research presentations. Therefore, there is a need for a method of controlling the air-fuel ratio, the concentration of the diluent gas, and the temperature history of the air-fuel mixture by a simple method to realize ignition of the compression self-ignition internal combustion engine in a wide range.

【0026】本発明者らは、圧縮行程中のシリンダ内に
おける新規の供給空気量と前サイクルの既燃ガスの残存
量を変えることで前記3つの要素を同時に制御できるこ
とに着眼した。さらに、2ストロークサイクル式内燃機
関では残留ガスを利用することが容易であるとともに、
その温度が4ストロークサイクル式内燃機関の残留ガス
や外部EGRなどに比べて十分に高いことに着目した。ま
た、2ストロークサイクル式内燃機関は、4ストローク
サイクル式内燃機関と比べて爆発回数が2倍となること
から、1回の燃焼で消費する燃料量が4ストロークサイ
クル式内燃機関の1/2であっても出力は同等となること
にも着眼した。
The present inventors have focused on the fact that the above three factors can be simultaneously controlled by changing the amount of new supply air in the cylinder during the compression stroke and the amount of remaining burned gas in the previous cycle. Further, in the two-stroke cycle internal combustion engine, it is easy to use the residual gas,
We noticed that the temperature was sufficiently higher than the residual gas and external EGR of a 4-stroke cycle internal combustion engine. In addition, since the number of explosions in a two-stroke cycle internal combustion engine is twice as large as that in a four-stroke cycle internal combustion engine, the amount of fuel consumed in one combustion is half that of a four-stroke cycle internal combustion engine. We focused on the output being the same even if it did.

【0027】これらをもとに、本発明者らは従来の概念
では異常燃焼が発生して正常な運転の継続ができない圧
縮比を有すると共に、前サイクルの燃焼ガスの残存量
(残留ガス量)と新規に供給される空気の量(供給量)
を適切に調整する2ストロークサイクル式内燃機関を発
明した。これにより幅広い運転条件において自着火燃焼
に十分なシリンダ内の条件を得ることができる。
Based on these facts, the present inventors have a compression ratio at which abnormal combustion occurs and a normal operation cannot be continued in the conventional concept, and a residual amount of residual combustion gas (residual gas amount) in the previous cycle. And the amount of newly supplied air (supply amount)
Invented a two-stroke cycle internal combustion engine that properly adjusts the engine pressure. This makes it possible to obtain sufficient conditions in the cylinder for auto-ignition combustion in a wide range of operating conditions.

【0028】[0028]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
仮に空気と燃料により形成された均一な理論混合気を加
熱しないでシリンダに供給した場合に、当該理論混合気
を自着火可能又はノッキング発生相当の圧縮比を有する
圧縮着火式又は火花点火式の内燃機関であって、前記シ
リンダ内に供給する理論混合気の形成より少ない燃料量
を供給すると共に、該シリンダに供給する空気量及び残
留ガス量の少なくとも一方を変化させ機関回転数と供給
される燃料量に対応して広い空燃比の範囲でシリンダ内
において混合気の自着火を発生する構成にしたことを特
徴とする2ストロークサイクル式の内燃機関である。
According to the first aspect of the present invention,
If a uniform theoretical air-fuel mixture formed by air and fuel is supplied to a cylinder without heating, the theoretical air-fuel mixture is capable of self-ignition or a compression-ignition or spark-ignition internal combustion engine having a compression ratio equivalent to knocking. An engine that supplies a smaller amount of fuel than the formation of a stoichiometric mixture to be supplied to the cylinder, and changes at least one of an amount of air supplied to the cylinder and a residual gas amount to change an engine speed and a supplied fuel. A two-stroke cycle type internal combustion engine characterized in that a self-ignition of an air-fuel mixture is generated within a cylinder in a wide air-fuel ratio range corresponding to an amount of fuel.

【0029】ここで、本発明の内燃機関は、燃料の着火
性に比較して相対的に高い圧縮比を有することを特徴と
する。即ち、ここで高い圧縮比とは、仮に均一な理論混
合気を特別な外部からの加熱をすることなくシリンダに
供給し、圧縮開始時点においては該理論混合気だけによ
って該シリンダ内が大気圧にて満たされている条件で
は、ピストンの圧縮だけで自着火を発生するほど高い圧
縮比であるか、又は該理論混合気の一部を強制的に点火
し火炎伝播を発生させた場合にはノッツキングを発生す
るほど高い圧縮比を有することを意味する。また、ここ
で均一な理論混合気とは、ポート噴射式火花点火ガソリ
ンエンジンのような給気通路上の燃料供給装置により新
規供給空気と燃料が混合されたときに形成される程度の
均一度を意味するもので、理論的な完全均一のみを示す
ものではない。
Here, the internal combustion engine of the present invention is characterized in that it has a relatively high compression ratio as compared with the ignitability of fuel. That is, a high compression ratio here means that a uniform theoretical air-fuel mixture is supplied to a cylinder without special external heating, and at the start of compression, the inside of the cylinder is brought to atmospheric pressure only by the theoretical air-fuel mixture. If the compression ratio is high enough to cause auto-ignition only by compression of the piston, or if not all of the stoichiometric air-fuel mixture is forcibly ignited to generate flame propagation, It means that the compression ratio is so high that king occurs. Here, the uniform theoretical air-fuel mixture means a degree of uniformity formed when new supply air and fuel are mixed by a fuel supply device on an air supply passage such as a port injection spark ignition gasoline engine. It does not mean only theoretical perfect uniformity.

【0030】さらに、本発明の内燃機関は、その運転時
に供給する一サイクル一気筒当りの燃料量をシリンダ容
積に比較して相対的に少ない燃料量とすることを特徴と
する。即ち、ここで相対的に少ない燃料量とは、前記シ
リンダ内に大気圧にて満たした均一な理論混合気に混合
された燃料量より少ない燃料量とすることを意味する。
Further, the internal combustion engine of the present invention is characterized in that the amount of fuel supplied per cylinder in one cycle during operation thereof is relatively small as compared with the cylinder volume. That is, the relatively small amount of fuel here means that the amount of fuel is smaller than the amount of fuel mixed into a uniform theoretical mixture filled with the cylinder at atmospheric pressure.

【0031】請求項2記載の発明は、仮に空気と燃料に
より形成された均一な理論混合気を60%以上の掃気率
で加熱しないでシリンダに供給した場合に、当該理論混
合気を自着火可能又はノッキング発生相当の圧縮比を有
することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関であ
る。
According to a second aspect of the present invention, if a uniform theoretical air-fuel mixture formed by air and fuel is supplied to a cylinder without being heated at a scavenging rate of 60% or more, the theoretical air-fuel mixture can self-ignite. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal combustion engine has a compression ratio corresponding to occurrence of knocking.

【0032】請求項3記載の発明は、シリンダ内の混合
気をリーンとすることで、窒素酸化物を低減し熱効率を
高めることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関であ
る。
The invention according to claim 3 is the internal combustion engine according to claim 1, wherein the mixture in the cylinder is made lean to reduce nitrogen oxides and increase thermal efficiency.

【0033】請求項4記載の発明は、自着火が上死点近
傍又はそれより遅い時期に発生するように制御すること
で、機関から排出される窒素酸化物を抑制すると共に熱
効率を高めることを特徴とする請求項1に記載の内燃機
関である。
According to a fourth aspect of the present invention, by controlling the self-ignition to occur in the vicinity of or later than the top dead center, it is possible to suppress the nitrogen oxides discharged from the engine and increase the thermal efficiency. The internal combustion engine according to claim 1, wherein

【0034】請求項5記載の発明は、シリンダ内の燃料
量が少ないときにシリンダ内の酸素濃度を低くし、該燃
料量が多いときに該酸素濃度を高くするように制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関である。
The invention according to claim 5 is characterized in that when the amount of fuel in the cylinder is small, the oxygen concentration in the cylinder is reduced, and when the amount of fuel is large, control is performed to increase the oxygen concentration. The internal combustion engine according to claim 1.

【0035】請求項6記載の発明は、着火時期を早める
には給気量を減少又はシリンダ内の残留ガス量を増大
し、着火時期を遅くするには給気量を増大又はシリンダ
内の残留ガス量を減少するように制御することを特徴と
する請求項1に記載の内燃機関である。
According to a sixth aspect of the present invention, in order to advance the ignition timing, the air supply amount is decreased or the residual gas amount in the cylinder is increased, and to delay the ignition timing, the air supply amount is increased or the residual air amount in the cylinder is increased. The internal combustion engine according to claim 1, wherein control is performed to reduce the gas amount.

【0036】請求項7記載の発明は、シリンダ内の空気
量を変化させる給気量制御手段又は該シリンダ内の残留
ガス量を変化させる残留ガス量制御手段の少なくとも一
方を具備し、該給気量制御手段又は該残留ガス量制御手
段の少なくとも一方により該シリンダへの給気量と該シ
リンダ内の残留ガス量の少なくとも一方を制御して自着
火の発生時期を制御することを特徴とする請求項1に記
載の内燃機関である。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided at least one of an air supply amount control means for changing an air amount in a cylinder and a residual gas amount control means for changing a residual gas amount in the cylinder. The ignition timing is controlled by controlling at least one of the amount of air supplied to the cylinder and the amount of residual gas in the cylinder by at least one of the amount control means and the residual gas amount control means. Item 2. The internal combustion engine according to item 1.

【0037】[0037]

【発明の作用・効果】本発明の内燃機関は、即ち従来の
概念では異常燃焼が発生して正常な運転継続ができない
圧縮比を有すると共に、残留ガス量と給気量を適切に調
整する2ストロークサイクル式内燃機関であって、幅広
い機関回転数において自着火燃焼を実現すると共に着火
時期を適切に調節することが可能である。
The internal combustion engine according to the present invention has a compression ratio in which normal combustion cannot be continued due to abnormal combustion in the conventional concept, and appropriately adjusts the residual gas amount and the supply amount. This is a stroke cycle type internal combustion engine that can realize self-ignition combustion at a wide range of engine speeds and appropriately adjust the ignition timing.

【0038】該2ストロークサイクル式内燃機関におい
て実現される自着火燃焼は、前記残留ガスや空気による
希釈された可燃混合気を形成するとともに、要求負荷が
低い条件では高温の残留ガスを増大させ、要求負荷が高
い条件では空気を増大させることで、広い運転条件にお
いて短期間で燃焼を完了することができる。
The self-ignition combustion realized in the two-stroke cycle type internal combustion engine forms a combustible mixture diluted with the residual gas and air, and increases a high temperature residual gas under a low required load condition. By increasing the air under conditions where the required load is high, combustion can be completed in a short period of time under a wide range of operating conditions.

【0039】また、該2ストロークサイクル式内燃機関
は燃焼サイクルが4ストロークサイクル式内燃機関の2
倍であることから、同一要求負荷においては一回の燃焼
で使用する燃料量は該2ストロークサイクル式内燃機関
では該4ストロークサイクル式内燃機関に比べて約1/2
とすることができ、それにより同一排気量の4ストロー
クサイクル式内燃機関と同等の負荷範囲を希薄な混合気
の自着火燃焼にて運転することを実現する。
The two-stroke cycle type internal combustion engine has a combustion cycle of a four-stroke cycle type internal combustion engine.
Therefore, at the same required load, the amount of fuel used in one combustion is about one-half in the two-stroke cycle type internal combustion engine as compared with the four-stroke cycle type internal combustion engine.
Accordingly, it is possible to realize the operation in the same load range as that of the four-stroke cycle type internal combustion engine having the same displacement by the self-ignition combustion of the lean air-fuel mixture.

【0040】以上の効果により、本発明の2ストローク
サイクル式内燃機関では、広い運転条件において希薄な
混合気を適切な時期に短期間で燃焼させることが可能と
なり、その結果として広い運転条件において窒素酸化物
の排出濃度の低減と高い熱効率を両立することが可能で
ある。
With the above effects, in the two-stroke cycle type internal combustion engine of the present invention, it is possible to burn a lean mixture at an appropriate time in a short period under a wide range of operating conditions. It is possible to achieve both a reduction in oxide emission concentration and high thermal efficiency.

【0041】[0041]

【発明の実施の形態】図3及び図4は、本発明を給気過
給機とシリンダ内に直接燃料を供給する燃料噴射弁を備
えた頭上弁式2ストロークサイクル式内燃機関として実
現した実施の形態例を示している。図3と図4を参照す
ると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリ
ンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6はシリンダ
内に直接燃料を噴射する電子制御式燃料噴射弁の取付位
置、8は掃気弁、9は掃気ポート、10は排気弁、11
は排気ポートを夫々示す。掃気ポート9は対応する給気
枝管12を介してサージタンク13に連結され、サージ
タンク13は給気ダクト14及び給気過給機15及び給
気ダクト16を介してエアクリーナ17に接続される。
給気過給機15は電気モータ18により駆動される。一
方、排気ポート11は排気マニホールド19を介して排
気ダクト20に連結される。
3 and 4 show an embodiment in which the present invention is realized as an overhead valve type two-stroke cycle type internal combustion engine equipped with a supercharger and a fuel injection valve for directly supplying fuel into a cylinder. Is shown. Referring to FIGS. 3 and 4, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, and 6 is an electronically controlled fuel injection valve for directly injecting fuel into a cylinder. Attachment position, 8 is a scavenging valve, 9 is a scavenging port, 10 is an exhaust valve, 11
Indicates exhaust ports, respectively. The scavenging port 9 is connected to a surge tank 13 via a corresponding air supply branch 12, and the surge tank 13 is connected to an air cleaner 17 via an air supply duct 14, an air supercharger 15 and an air supply duct 16. .
The supercharger 15 is driven by an electric motor 18. On the other hand, the exhaust port 11 is connected to an exhaust duct 20 via an exhaust manifold 19.

【0042】電子制御ユニット50は、デジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バス51によって互いに接続
されたROM(リードオンリメモリ)52、RAM(ランダム
アクセスメモリ)53、CPU(マイクロプロセッサ)5
4、入力ポート55及び出力ポート56を具備する。ア
クセルペダルの踏込み量に比例した出力電圧を発生する
要求負荷センサ61の出力電圧は対応するA/D変換器5
7を介して入力ポート55に入力される。
The electronic control unit 50 comprises a digital computer, a ROM (read only memory) 52, a RAM (random access memory) 53, and a CPU (microprocessor) 5 connected to each other by a bidirectional bus 51.
4, an input port 55 and an output port 56 are provided. The output voltage of the required load sensor 61 that generates an output voltage proportional to the amount of depression of the accelerator pedal is output from the corresponding A / D converter 5.
7 to the input port 55.

【0043】更に、入力ポート55にはクランクシャフ
トが例えば10°回転する毎に出力パルスを発生するク
ランク角センサ62が接続される。クランク角センサの
出力形態は、機関の回転数及び各気筒のTDC及び着火時
期を算出又は表現できるものであれば良い。一方、出力
ポート56は対応する駆動回路58を介して給気過給機
15を駆動する電気モータ18及び電子制御式燃料噴射
弁の取付位置6に設置される電子制御式燃料噴射弁に接
続される。
Further, the input port 55 is connected to a crank angle sensor 62 which generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, by 10 °. The output form of the crank angle sensor may be any as long as it can calculate or express the number of revolutions of the engine and the TDC and ignition timing of each cylinder. On the other hand, the output port 56 is connected via a corresponding drive circuit 58 to an electric motor 18 for driving the air charge supercharger 15 and an electronically controlled fuel injection valve installed at the mounting position 6 of the electronically controlled fuel injection valve. You.

【0044】図5は、本発明の実施の形態における基本
的な効果を示す例として、負荷約40%及び負荷約85
%に相当する供給燃料量にて図3及び図4に示す構成で
実現された本発明の実施の形態における2ストロークサ
イクル式内燃機関を運転した場合において、給気比を変
化させたときの窒素酸化物(NOx)の排出濃度、正味トル
ク、着火時期の変化を空燃比(A/F)を横軸として示した
ものである。図5に示されるように、負荷約40%の条
件では、空燃比約15付近から給気比を高めることで混
合気をリーン条件へと変化させている。混合気をリーン
とすること、即ちシリンダ内の空気量を増す一方で残留
ガス量を低減することで、空燃比約15付近では上死点
前であった着火時期が上死点にむけて遅くなり、これと
同時に窒素酸化物の排出が大幅に低減され又熱効率が高
まる。
FIG. 5 shows an example of the basic effect of the embodiment of the present invention, in which the load is about 40% and the load is about 85%.
% When operating the two-stroke cycle type internal combustion engine according to the embodiment of the present invention realized by the configuration shown in FIGS. 3 and 4 with the supplied fuel amount corresponding to Changes in the emission concentration of oxide (NOx), net torque, and ignition timing are shown with the air-fuel ratio (A / F) on the horizontal axis. As shown in FIG. 5, under the condition of a load of about 40%, the air-fuel mixture is changed to a lean condition by increasing the air-fuel ratio from about an air-fuel ratio of about 15. By making the air-fuel mixture lean, that is, increasing the amount of air in the cylinder and reducing the amount of residual gas, the ignition timing before the top dead center near the air-fuel ratio of about 15 is delayed toward the top dead center. At the same time, the emission of nitrogen oxides is greatly reduced and the thermal efficiency is increased.

【0045】更に、窒素酸化物の排出が大幅に低減され
ると同時に高い熱効率が実現される空燃比の範囲は約2
0から32と広いことがわかる。一方、負荷約85%の
条件でも前記負荷約40%の条件と同様の効果及び傾向
が得られ、窒素酸化物の排出が大幅に低減されると同時
に高い熱効率が実現される空燃比の範囲は約35から4
9と広いことがわかる。このように広い空燃比の範囲で
窒素酸化物の排出を大幅に低減すると同時に高い熱効率
を実現する機構は次のように説明できる。
Further, the range of the air-fuel ratio at which the emission of nitrogen oxides is greatly reduced and high thermal efficiency is realized is about 2
It turns out that it is wide from 0 to 32. On the other hand, even under the condition of about 85% load, the same effects and tendencies as those of the above-described about 40% load condition are obtained, and the range of the air-fuel ratio in which the nitrogen oxide emission is greatly reduced and high thermal efficiency is realized at the same time is as follows. About 35-4
It turns out that it is 9 and wide. The mechanism for greatly reducing the emission of nitrogen oxides and achieving high thermal efficiency in such a wide range of air-fuel ratio can be explained as follows.

【0046】シリンダ内の空気量が増加すると同時に残
留ガス量が減少した場合、高温の残留ガス量が減少する
ことによるシリンダ内の混合気の平均温度は低下するた
めに自着火が発生し難い温度の条件へと変化するが、一
方で空気量が増加することによりシリンダ内の酸素濃度
が高まることで燃料分子の酸化反応が進行し易い条件が
得られる。
When the amount of air in the cylinder increases and the amount of residual gas decreases at the same time, the average temperature of the air-fuel mixture in the cylinder decreases due to the decrease in the amount of high-temperature residual gas, so that the temperature at which self-ignition is unlikely to occur. However, on the other hand, the condition that the oxidation reaction of the fuel molecules easily proceeds can be obtained by increasing the oxygen amount in the cylinder by increasing the amount of air.

【0047】更に、シリンダ内の空気量が増加すれば混
合気の比熱比が増大し、圧縮による温度上昇の程度は高
くなることから、前記の残留ガス量が減少することによ
る温度の低下を打ち消す方向の効果が期待できる。
Further, when the amount of air in the cylinder increases, the specific heat ratio of the air-fuel mixture increases, and the degree of temperature rise due to compression increases. Therefore, the decrease in temperature due to the decrease in the amount of residual gas is canceled out. The effect of direction can be expected.

【0048】上記二つの作用効果により、広い空燃比の
範囲において適切な時期に自着火燃焼が発生させられ
る。尚、前記の窒素酸化物の排出が大幅に低減されると
同時に高い熱効率が実現される条件は着火時期が上死点
近傍又はそれより遅い場合に実現されており、発熱割合
が10%となった時期を着火時期と定義すればこの範囲
は上死点前5°以後と表現することができる。ここで発
熱割合とは熱炎に相当する発熱で放出される総発熱量に
対して算出されるものとし、パラフィン系炭化水素に多
く観察される冷炎の発熱は考慮しない。
By the above two effects, self-ignition combustion is generated at an appropriate time in a wide range of air-fuel ratio. The condition that the above-mentioned emission of nitrogen oxides is greatly reduced and high thermal efficiency is realized at the same time when the ignition timing is near or later than the top dead center is achieved, and the heat generation rate becomes 10%. If this time is defined as the ignition timing, this range can be expressed as 5 ° before top dead center. Here, the heat generation ratio is calculated with respect to a total heat release amount generated by heat generation corresponding to a heat flame, and does not consider heat generation of a cold flame which is often observed in paraffinic hydrocarbons.

【0049】図6は、図5に示した条件の代表的な結果
におけるクランク角に対する熱発生率の変化を示したも
のである。明確な発熱が見られる期間、つまり燃焼期間
は、例えば負荷約40%における空燃比32の条件でも
クランク角で約20°、負荷約85%においては空燃比
49という極めて希薄な混合気においても燃焼期間は約
10°と短期間で完了し、本発明の実施の形態が実現す
る自着火燃焼が等容度の高い効率的な燃焼を実現してい
ることがわかる。
FIG. 6 shows a change in the heat release rate with respect to the crank angle as a representative result under the conditions shown in FIG. During a period in which clear heat generation is observed, that is, a combustion period, for example, combustion is performed even in an extremely lean air-fuel mixture such as an air-fuel ratio of 32 at an air-fuel ratio of 32 at a load of approximately 40% and an air-fuel ratio of 49 at a load of approximately 85%. The period is completed in a short period of about 10 °, and it can be seen that the self-ignition combustion realized by the embodiment of the present invention realizes efficient combustion with high isovolume.

【0050】図7は、図3及び図4に示す構成で実現さ
れた本発明の実施の形態における2ストロークサイクル
式内燃機関において、低負荷から高負荷まで、給気比を
調節することにより上死点近傍での適切な燃焼を実現し
た条件におけるクランク角に対する熱発生率の変化を示
したものであり、本発明の実施の形態例が広い要求負荷
条件に対して上死点近傍での急速な自着火燃焼を実現で
きることを示している。
FIG. 7 shows a two-stroke cycle type internal combustion engine according to the embodiment of the present invention realized by the configurations shown in FIGS. 3 and 4 by adjusting the air supply ratio from low load to high load. FIG. 6 shows a change in heat release rate with respect to a crank angle under a condition in which appropriate combustion is realized in the vicinity of a dead center. It shows that it is possible to realize an efficient self-ignition combustion.

【0051】図8は、図3及び図4に示す構成で実現さ
れた本発明の実施の形態における2ストロークサイクル
式内燃機関において、負荷に対する給気比、空燃比、排
出されるNOx濃度の一例を示す。図8に示す条件では、
負荷の増大とともに給気比を増大させ、その結果として
混合気の空燃比は希薄へと変化させている。この操作に
より得られる適切な燃焼の結果、NOxの排出濃度は要求
負荷に関わらず常に10ppm以下に維持される。
FIG. 8 shows an example of an air-fuel ratio, an air-fuel ratio, and an exhausted NOx concentration with respect to a load in the two-stroke cycle type internal combustion engine according to the embodiment of the present invention realized by the configuration shown in FIGS. Is shown. Under the conditions shown in FIG.
As the load increases, the air-fuel ratio increases, and as a result, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture changes to lean. As a result of appropriate combustion obtained by this operation, the emission concentration of NOx is always maintained at 10 ppm or less regardless of the required load.

【0052】図7及び図8において示した実施の形態の
例では、負荷の変化に対して供給される燃料量と給気比
だけを変化させている。即ち、図3及び図4に示す本発
明の実施の形態で実現された2ストロークサイクル式内
燃機関における出力を調節する基本制御因子は供給され
る燃料量と給気比である。図9には供給される燃料量と
給気比の関係の一例を示す。該実施の形態及び図9に示
した供給される燃料量と給気比の関係に基づき機関を円
滑に運転するためには、図3に記載のデジタルコンピュ
ータ50により、機関回転数と要求負荷に対する燃料噴
射弁からの噴射量、過給機による給気量が制御される必
要がある。
In the example of the embodiment shown in FIGS. 7 and 8, only the amount of fuel supplied and the air supply ratio are changed in response to a change in load. That is, the basic control factors for adjusting the output in the two-stroke cycle type internal combustion engine realized in the embodiment of the present invention shown in FIGS. 3 and 4 are the supplied fuel amount and the air supply ratio. FIG. 9 shows an example of the relationship between the supplied fuel amount and the air supply ratio. In order to smoothly operate the engine based on the relationship between the supplied fuel amount and the air supply ratio shown in this embodiment and FIG. 9, the digital computer 50 shown in FIG. It is necessary to control the amount of fuel injected from the fuel injection valve and the amount of air supplied by the supercharger.

【0053】そこで、本実施の形態では、機関回転数N
と要求負荷Lに対する過給機を駆動する電気モータの回
転数Aと燃料噴射量Bの関係を、予め実験から求めてお
き、これを図10(A)(B)に示すようなマップの形態
でROM52に記憶させている。これにより、機関回転数
と要求負荷に応じて適切な燃料量と空気量がシリンダ内
に供給されることになる。
Therefore, in this embodiment, the engine speed N
The relationship between the rotational speed A of the electric motor driving the supercharger and the fuel injection amount B with respect to the required load L and the fuel injection amount B is determined in advance by an experiment, and the relationship is shown in the form of a map shown in FIGS. Is stored in the ROM 52. Thus, an appropriate amount of fuel and an appropriate amount of air are supplied into the cylinder according to the engine speed and the required load.

【0054】[0054]

【その他の実施の形態】図11にその他の実施の形態例
を示す。この実施の形態例において図4に示す実施の形
態例と同一の構成要素は同一の符号で示す。
[Other Embodiments] FIG. 11 shows another embodiment. In this embodiment, the same components as those in the embodiment shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals.

【0055】図11に示すように、この実施の形態例で
は掃気ポート内に燃料噴射弁を具備している。該燃料噴
射弁は図3に示した電子制御ユニット50の出力ポート
56に接続された対応する駆動回路58により駆動され
る。
As shown in FIG. 11, in this embodiment, a fuel injection valve is provided in the scavenging port. The fuel injector is driven by a corresponding drive circuit 58 connected to the output port 56 of the electronic control unit 50 shown in FIG.

【0056】[0056]

【その他の実施の形態】図12にその他の実施の形態例
を示す。この実施の形態例において図3に示す実施の形
態例と同一の構成要素は同一の符号で示す。
[Other Embodiments] FIG. 12 shows another embodiment. In this embodiment, the same components as those in the embodiment shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.

【0057】図12に示す実施の形態例では、圧縮機2
4と排気タービン25を有するターボ過給機を有する。
給気ダクト14は圧縮機24及び給気ダクト16を介し
てエアクリーナ17に接続される。排気ダクト20は排
気タービン25を介して排気ダクト26に接続される。
給気ダクト21には吸入空気量を検出するエアフローメ
ータ21が配置され、該エアフローメータ21の出力電
圧は対応するA/D変換器57を介して入力ポート55に
入力される。また、給気ダクト14には給気量を調節す
るスロットル弁22が配置され、該スロットル弁22は
電気モータ23により駆動される。該電気モータ23
は、出力ポート56に対して対応する駆動回路58を介
して接続される。
In the embodiment shown in FIG. 12, the compressor 2
4 and a turbocharger having an exhaust turbine 25.
The air supply duct 14 is connected to the air cleaner 17 via the compressor 24 and the air supply duct 16. The exhaust duct 20 is connected to an exhaust duct 26 via an exhaust turbine 25.
An air flow meter 21 for detecting an intake air amount is disposed in the air supply duct 21, and an output voltage of the air flow meter 21 is input to an input port 55 via a corresponding A / D converter 57. A throttle valve 22 for adjusting the amount of air supply is provided in the air supply duct 14, and the throttle valve 22 is driven by an electric motor 23. The electric motor 23
Are connected to the output port 56 via the corresponding drive circuit 58.

【0058】図12において示した実施の形態例におい
ても、負荷の変化に対して供給される燃料量と給気比を
変化させる必要がある。しかし、図12に示す実施の形
態例では圧縮機24と排気タービン25を有するターボ
過給機により掃気を行うため、過給機の回転数を直接調
節することができない。そこで、図12に記載されたデ
ジタルコンピュータ50により、機関回転数と要求負荷
に対する燃料噴射弁からの噴射量とスロットル弁の開度
が制御される必要がある。
Also in the embodiment shown in FIG. 12, it is necessary to change the amount of fuel supplied and the air supply ratio in response to a change in load. However, in the embodiment shown in FIG. 12, since the scavenging is performed by the turbocharger having the compressor 24 and the exhaust turbine 25, the rotation speed of the supercharger cannot be directly adjusted. Therefore, the digital computer 50 shown in FIG. 12 needs to control the injection amount from the fuel injection valve and the opening of the throttle valve with respect to the engine speed and the required load.

【0059】本実施の形態では、機械回転数Nと要求負
荷Lに対する燃料噴射量Bと必要吸入空気量Cの関係を予
め実験から求めておく。さらに、必要吸入空気量Cとエ
アフローメータ21から検出された実吸入空気量C'に対
するスロットル弁開度Dを求めておく。これらを図13
(A)(B)(C)に示すようなマップの形態でROM52に
記憶させている。これにより、機関回転数と要求負荷に
応じて適切な燃料量と空気量がシリンダ内に供給される
ことになる。
In the present embodiment, the relationship between the fuel injection amount B and the required intake air amount C with respect to the machine speed N and the required load L is obtained in advance through experiments. Further, the throttle valve opening D with respect to the required intake air amount C and the actual intake air amount C ′ detected from the air flow meter 21 is obtained in advance. These are shown in FIG.
(A), (B), and (C) are stored in the ROM 52 in the form of maps. Thus, an appropriate amount of fuel and an appropriate amount of air are supplied into the cylinder according to the engine speed and the required load.

【0060】なお、ターボ過給機では要求負荷に対して
必要な吸入空気量が得られない条件が発生する場合があ
る。その場合にはエアフローメータ21から検出された
実吸入空気量と回転数を図13(B)のマップに適用す
ることで実現可能出力を逆算することが可能であり、該
実現可能出力と回転数を図13(A)のマップに適用す
ることで供給可能燃料量を逆算することができる。この
時、スロットル弁開度は全開又はこれに近い状態に保た
れる。
In the case of a turbocharger, a condition may occur in which a required intake air amount cannot be obtained for a required load. In this case, the realizable output and the rotational speed can be calculated by applying the actual intake air amount and the rotational speed detected from the air flow meter 21 to the map of FIG. 13B. Is applied to the map of FIG. 13 (A), the amount of suppliable fuel can be calculated backward. At this time, the throttle valve opening is maintained at a fully opened state or a state close thereto.

【0061】なお、本発明はその精神を逸脱しない範囲
で種々の変更、変形等を行なうことができる。例えば、
クランクケース掃気方式による実現や、シュニーレ掃気
やユニフロー掃気など異なる掃気手段の適用実施が可能
である。また、排気孔近傍や排気通路上に排気の流量を
低下させることを可能とする排気流制御装置を具備する
ことで残留ガス量を積極的に制御する構成でも実現可能
である。
The present invention can be variously modified and modified without departing from the spirit thereof. For example,
It is possible to realize by a crankcase scavenging method, and to apply and implement different scavenging means such as chenille scavenging and uniflow scavenging. Further, by providing an exhaust flow control device capable of reducing the flow rate of exhaust gas in the vicinity of the exhaust hole or on the exhaust passage, it is possible to realize a configuration in which the residual gas amount is positively controlled.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】数値シミュレーションで再現された空燃比と図
示熱効率を示す線図である。
FIG. 1 is a diagram showing an air-fuel ratio and an indicated thermal efficiency reproduced by a numerical simulation.

【図2】数値シミュレーションで再現された燃焼期間及
び圧縮比と図示熱効率を示す線図である。
FIG. 2 is a diagram showing a combustion period and a compression ratio and an indicated thermal efficiency reproduced by a numerical simulation.

【図3】本発明の代表的な実施の形態例を示す2ストロ
ークサイクル式内燃機関の全体図である。
FIG. 3 is an overall view of a two-stroke cycle type internal combustion engine showing a typical embodiment of the present invention.

【図4】機関本体の側面断面図と燃焼室側から見たシリ
ンダヘッド内面図である。
FIG. 4 is a side sectional view of an engine body and an inner view of a cylinder head as viewed from a combustion chamber side.

【図5】窒素酸化物の排出濃度及び熱効率及び着火時期
と空燃比の関係を示す線図である。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the emission concentration of nitrogen oxides, thermal efficiency, ignition timing, and air-fuel ratio.

【図6】給気量の調節により最適な着火時期に短期間で
完了する燃焼が得られることを示す線図である。
FIG. 6 is a diagram showing that combustion that can be completed in a short period of time at an optimum ignition timing by adjusting the supply air amount is obtained.

【図7】広い負荷条件において最適な着火時期に短期間
で完了する燃焼が得られることを示す線図である。
FIG. 7 is a diagram showing that combustion that can be completed in a short period of time at an optimal ignition timing under a wide load condition is obtained.

【図8】給気比を調節することで広い負荷条件において
窒素酸化物の排出濃度を低減することができることを示
す線図である。
FIG. 8 is a diagram showing that the nitrogen oxide emission concentration can be reduced under a wide range of load conditions by adjusting the air supply ratio.

【図9】適切な自着火燃焼を実現するための供給される
燃料量と空気量の関係を示す線図である。
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between an amount of supplied fuel and an amount of air for realizing appropriate self-ignition combustion.

【図10】要求負荷と機関回転数に対する過給機を駆動
する電気モータの回転数と燃料噴射量のマップを示す。
FIG. 10 shows a map of the rotation speed of the electric motor driving the supercharger and the fuel injection amount with respect to the required load and the engine rotation speed.

【図11】本発明におけるその他の実施の形態例を示す
機関本体の側面断面図と燃焼室側から見たシリンダヘッ
ド内面図である。
FIG. 11 is a side sectional view of an engine main body and an inner view of a cylinder head viewed from a combustion chamber side, showing another embodiment of the present invention.

【図12】本発明におけるその他の実施の形態例を示す
2ストロークサイクル式内燃機関の全体図である。
FIG. 12 is an overall view of a two-stroke cycle type internal combustion engine showing another embodiment of the present invention.

【図13】要求負荷と機関回転数に対する燃料噴射量と
スロットル弁開度のマップを示す。
FIG. 13 shows a map of a fuel injection amount and a throttle valve opening degree with respect to a required load and an engine speed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

4…ピストン 5…燃焼室 6…シリンダ内に直接燃料を噴射する電子制御式燃料噴
射弁の取付位置 15…給気過給機
4 ... Piston 5 ... Combustion chamber 6 ... Mounting position of an electronically controlled fuel injection valve that injects fuel directly into the cylinder 15 ... Charge supercharger

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02D 23/00 F02D 23/00 E 41/02 351 41/02 351 43/00 301 43/00 301R 301N F02M 25/07 510 F02M 25/07 510B 550 550R Fターム(参考) 3G023 AA02 AA05 AB01 AB05 AC02 AC04 AD03 AF02 AF03 AG02 AG03 3G062 AA02 AA10 BA02 BA04 GA06 GA15 GA17 GA18 3G084 AA00 AA02 AA04 BA07 BA08 BA09 BA20 DA02 DA10 EB08 3G092 AA00 AA03 AA06 AA09 AB02 BA02 BA06 DB02 DB03 DC09 DE03S FA17 FA24 3G301 HA03 HA04 HA09 HA11 HA15 JA02 JA25 LA00 LB02 LB04 MA01 NC02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) F02D 23/00 F02D 23/00 E 41/02 351 41/02 351 43/00 301 43/00 301R 301N F02M 25/07 510 F02M 25/07 510B 550 550R F-term (reference) 3G023 AA02 AA05 AB01 AB05 AC02 AC04 AD03 AF02 AF03 AG02 AG03 3G062 AA02 AA10 BA02 BA04 GA06 GA15 GA17 GA18 3G084 AA00 AA02 A09 BA08 BA09 DA08 BA09 DA08 AA03 AA06 AA09 AB02 BA02 BA06 DB02 DB03 DC09 DE03S FA17 FA24 3G301 HA03 HA04 HA09 HA11 HA15 JA02 JA25 LA00 LB02 LB04 MA01 NC02

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 仮に空気と燃料により形成された均一な
理論混合気を加熱しないでシリンダに供給した場合に、
当該理論混合気を自着火可能又はノッキング発生相当の
圧縮比を有する圧縮着火式又は火花点火式の内燃機関で
あって、シリンダ内に供給された理論混合気の形成より
少ない燃料量を供給すると共に、該シリンダに供給する
空気量及び残留ガス量の少なくとも一方を変化させ機関
回転数と供給される燃料量に対応して広い空燃比の範囲
でシリンダ内において混合気の自着火を発生する構成に
したことを特徴とする2ストロークサイクル式の内燃機
関。
1. If a uniform stoichiometric mixture formed by air and fuel is supplied to a cylinder without heating,
A compression ignition type or spark ignition type internal combustion engine having a compression ratio capable of self-ignition of the stoichiometric air-fuel mixture or knocking, supplying a fuel amount smaller than the formation of the stoichiometric air-fuel mixture supplied into the cylinder. A configuration in which at least one of the amount of air supplied to the cylinder and the amount of residual gas is changed to generate self-ignition of the air-fuel mixture in the cylinder in a wide air-fuel ratio range in accordance with the engine speed and the amount of fuel supplied. An internal combustion engine of a two-stroke cycle type, characterized in that:
【請求項2】 仮に空気と燃料により形成された均一な
理論混合気を60%以上の掃気率で加熱しないでシリン
ダに供給した場合に、当該理論混合気を自着火可能又は
ノッキング発生相当の圧縮比を有することを特徴とする
請求項1に記載の内燃機関。
2. If a uniform stoichiometric air-fuel mixture formed by air and fuel is supplied to a cylinder without being heated at a scavenging rate of 60% or more, the stoichiometric air-fuel mixture is capable of self-ignition or compression equivalent to knocking. The internal combustion engine of claim 1, having a ratio.
【請求項3】 シリンダ内の混合気をリーンとすること
で、窒素酸化物を低減し熱効率を高めることを特徴とす
る請求項1に記載の内燃機関。
3. The internal combustion engine according to claim 1, wherein a lean air-fuel mixture in the cylinder reduces nitrogen oxides and increases thermal efficiency.
【請求項4】 自着火が上死点近傍又はそれより遅い時
期に発生するように制御することで、機関から排出され
る窒素酸化物を抑制すると共に熱効率を高めることを特
徴とする請求項1に記載の内燃機関。
4. The control system according to claim 1, wherein the self-ignition is controlled to occur at or near a top dead center, thereby suppressing nitrogen oxides discharged from the engine and increasing thermal efficiency. An internal combustion engine according to claim 1.
【請求項5】 シリンダ内の燃料量が少ないときにシリ
ンダ内の酸素濃度を低くし、該燃料量が多いときに該酸
素濃度を高くするように制御することを特徴とする請求
項1に記載の内燃機関。
5. The method according to claim 1, wherein the control is performed such that the oxygen concentration in the cylinder is reduced when the fuel amount in the cylinder is small, and the oxygen concentration is increased when the fuel amount is large. Internal combustion engine.
【請求項6】 着火時期を早めるには給気量を減少又は
シリンダ内の残留ガス量を増大し、着火時期を遅くする
には給気量を増大又はシリンダ内の残留ガス量を減少す
るように制御することを特徴とする請求項1に記載の内
燃機関。
6. To advance the ignition timing, reduce the supply amount or increase the residual gas amount in the cylinder. To delay the ignition timing, increase the supply amount or decrease the residual gas amount in the cylinder. 2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal combustion engine is controlled.
【請求項7】 シリンダ内の空気量を変化させる給気量
制御手段又は該シリンダ内の残留ガス量を変化させる残
留ガス量制御手段の少なくとも一方を具備し、該給気量
制御手段又は該残留ガス量制御手段の少なくとも一方に
より該シリンダへの給気量と該シリンダ内の残留ガス量
の少なくとも一方を制御して自着火の発生時期を制御す
ることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
7. At least one of an air supply amount control means for changing an air amount in a cylinder and a residual gas amount control means for changing a residual gas amount in the cylinder is provided. 2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein at least one of the gas amount control means controls at least one of the amount of air supplied to the cylinder and the amount of residual gas in the cylinder to control the timing of the occurrence of self-ignition. organ.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020045838A (en) * 2018-09-20 2020-03-26 マツダ株式会社 Two-stroke engine with supercharger

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