JP2000248985A - 予混合圧縮着火内燃機関 - Google Patents

予混合圧縮着火内燃機関

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 予混合圧縮着火内燃機関において、高負荷時
においても燃焼室内に供給される燃料量に見合った（ノ
ッキングが生じない）空気量を確保して希薄混合状態を
保持し、超低ＮＯX 燃焼を維持したまま出力範囲の拡大
を図る。 【解決手段】 エンジンの吸気行程において燃焼室１の
負圧により吸入される吸気とＶＧターボチャージャ９に
より供給される過給気とからなる給気を燃焼室１に取り
込み、少なくとも圧縮上死点前までに燃焼室１内への燃
料の供給を終了し、ピストン２の圧縮作用により圧縮上
死点付近にて予混合圧縮自己着火燃焼を行う。また、燃
焼室１内の平均空気過剰率を算出し、この平均空気過剰
率に応じてＶＧターボチャージャ９による過給を制御す
る。或いは、エンジンの負荷状態を検出し、このエンジ
ン負荷状態に応じてＶＧターボチャージャ９による過給
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は予混合圧縮着火内燃
機関に関し、ディーゼル機関（圧縮着火内燃機関）にお
けるＮＯX 排出濃度の低減と高出力化とを図るものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】図６は通常のディーゼル機関と予混合圧
縮着火内燃機関との燃料噴射時期の比較を示すタイムチ
ャート、図７は上記通常のディーゼル機関と上記予混合
圧縮着火内燃機関とのＮＯX 排出濃度の比較を示すグラ
フである。
【０００３】図６（ａ）に示すように、通常のディーゼ
ル機関では、圧縮上死点ＴＤＣ付近で燃焼室頂部の針弁
が開いて燃焼室内に燃料が噴射される（通常噴射）。こ
のような通常のディーゼル機関においては、次のような
理由から比較的高い濃度のＮＯX が排出される。
【０００４】ＮＯX 排出濃度は燃料と空気とが共に過不
足なく反応する条件、即ち、空気過剰率λが１となる付
近で最も高くなる。そして、上記通常のディーゼル機関
では、圧縮上死点ＴＤＣ付近において燃焼室内に燃料が
噴射されると、この燃料が周囲の空気と混ざり合って燃
焼室内に拡散しながら燃焼していく（拡散燃焼）。従っ
て、この場合には燃料と空気とが混合する過程において
必ず空気過剰率λが１となる領域があり、この領域より
高濃度のＮＯX が排出されることになる。しかも、図７
に示すように燃焼室内へ供給される燃料量を増やしてエ
ンジン出力を増大させると、この燃料量の増加に応じて
ＮＯX 排出濃度も増加する。
【０００５】そこで、現在、このような通常のディーゼ
ル機関に比べてＮＯX 排出濃度を大幅に低減することが
できる予混合圧縮着火内燃機関が研究開発されている。
この予混合圧縮着火内燃機関とは、図６（ｂ）に例示す
るように燃焼室内に燃料を早期噴射（図示例では圧縮下
死点ＢＤＣ近傍で噴射）して、少なくとも圧縮上死点Ｔ
ＤＣ前までに燃焼室内への燃料の供給を終了させるもの
である。燃焼室内に早期噴射された燃料は、ピストンが
当該燃料噴射時点から圧縮上死点ＴＤＣに達するまでの
間に燃焼室内の空気と十分に混ざり合って希薄混合状態
（リーン状態）となる。
【０００６】つまり、予混合圧縮着火内燃機関では、ピ
ストンの圧縮作用により圧縮上死点ＴＤＣ付近において
燃料が自己着火する前に、予め燃料と空気とを燃焼室内
において十分に混合させて希薄混合状態とし、この希薄
混合状態の混合気をピストンにより圧縮して、圧縮上死
点ＴＤＣ付近において燃焼室内の多点で同時期に自己着
火させる（多点同時圧縮自己着火燃焼）。なお、予混合
圧縮着火内燃機関としては、燃料を吸気管内に噴射して
混合気とし、この混合気を吸気行程において燃焼室内に
取り込む方式のものもある。
【０００７】何れにしても、予混合圧縮着火内燃機関で
は、燃料と空気を予め混合させて空気過剰率λが１より
も十分に大きな希薄混合状態とした後に燃焼（希薄燃
焼）させるため、空気過剰率λが１の状態で燃焼するこ
とはない。このため、予混合圧縮着火内燃機関では、図
７に示すように上記通常のディーゼル機関に比べてＮＯ
X 排出濃度が大幅に低減し、超低ＮＯX 燃焼となる。
【０００８】なお、予混合圧縮着火内燃機関では、特に
燃料として軽油を用いる場合には圧縮比を通常のディー
ゼル機関よりも低くすることにより、希薄混合気の自己
着火時期が圧縮上死点ＴＤＣ付近となるように調整され
る。圧縮比が高くて温度が高いと、希薄混合気が圧縮上
死点ＴＤＣ付近よりも前に自己着火してしまう虞がある
からである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の予混合圧縮着火内燃機関では、ＮＯX 排出濃度の低
減を希薄燃焼により達成しているため、高負荷での運転
（高出力運転）ができない。
【００１０】具体的には、図７に示すように、予混合圧
縮着火内燃機関の場合、予混合圧縮着火燃焼によってＮ
ＯX 排出濃度の低減を図るにあたり、低・中負荷では燃
焼室内に供給される燃料量に対して燃焼室内に供給され
る空気量の割合は十分であるが、燃焼室内へ供給する燃
料量を増やしてエンジン出力を増大させていくと、ある
出力Ｐ以上の領域（高負荷領域）ではノッキングが生じ
て運転が困難となる。これは、ある出力Ｐ以上では燃料
量の増加に見合った空気量が得られずに空気過剰率λが
１に近づくためである。ノッキングが生じると、ＮＯX
排出濃度が通常のディーゼル機関以上のレベルにまで増
大し、また、振動も大きくなり、エンジン故障にもつな
がる。
【００１１】なお、予混合圧縮着火内燃機関では燃料量
の増加に応じて燃料噴射時期を早めることにより、出力
（負荷）が増加しても希薄混合状態を維持することがで
きるように制御されるが、エンジンの吸気行程において
燃焼室の負圧により吸入される空気量はほぼ一定である
ため、結局、ある出力Ｐ以上では燃料量の増加に見合っ
た空気量が得られずに空気過剰率λが１に近づいてしま
う。
【００１２】通常のディーゼル機関においては、空気過
剰率λが例えば１．４程度になるまで燃料量を増やして
もノッキングを起こすことなく運転をすることができる
が、予混合圧縮着火内燃機関においては、ＮＯX 排出濃
度を低減させるために希薄燃焼を行うため、例えば単気
筒エンジンを用いた基礎試験では、ＥＧＲ（ExhaustGas
Recirculation ；排気ガス再循環）装置なしの場合、
空気過剰率λが２．０〜２．３程度において運転の限界
が存在した。よって、予混合圧縮着火内燃機関は同一排
気量の通常のディーゼル機関に比べて出力が劣る。
【００１３】従って本発明は上記従来技術に鑑み、高負
荷時においても燃焼室内に供給される燃料量に見合った
（ノッキングが生じない）空気量を確保して希薄混合状
態を保持することができ、超低ＮＯX 燃焼を維持したま
ま出力範囲の拡大を図ることができる予混合圧縮着火内
燃機関を提供することを課題とする。
【００１４】なお、特許第２８１２２３６号の特許公報
には予混合圧縮着火内燃機関に関する技術が開示されて
いるが、この予混合圧縮着火内燃機関には本発明のよう
な過給機が存在しないため、空気量が燃料量に対して不
足する運転域（例えば高負荷領域）が存在し、この運転
域ではノッキングが発生することがある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１
発明の予混合圧縮着火内燃機関は、エンジンの吸気行程
において燃焼室の負圧により吸入される吸気と過給機に
より供給される過給気とからなる給気が上記燃焼室に取
り込まれるとともに、少なくとも圧縮上死点前までに上
記燃焼室内への燃料の供給が終了され、ピストンの圧縮
作用により圧縮上死点付近にて予混合圧縮自己着火燃焼
を行うことを特徴とする。
【００１６】従って、この第１発明の予混合圧縮着火内
燃機関によれば、過給機の過給作用により、高出力時に
おいても燃焼室内に供給される空気量を十分に確保する
ことができる。
【００１７】また、第２発明の予混合圧縮着火内燃機関
は、第１発明の予混合圧縮着火内燃機関において、上記
エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段
と、上記燃焼室内に供給される上記燃料の量を検出する
燃料量検出手段と、上記燃焼室内に供給される上記給気
の温度を検出する給気温度検出手段と、上記燃焼室内に
供給される上記給気の圧力を検出する給気圧力検出手段
と、上記エンジン回転数検出手段、上記燃料量検出手
段、上記給気温度検出手段及び上記給気圧力検出手段に
よって検出された上記エンジン回転数、上記燃料量、上
記給気温度及び上記給気圧力に基づいて上記燃焼室内の
平均空気過剰率を算出し、この平均空気過剰率に応じて
上記過給機による過給を制御する制御手段とを有するこ
とを特徴とする。
【００１８】従って、この第２発明の予混合圧縮着火内
燃機関によれば、過給気が不要な間は燃焼室内に過給気
を供給せず、過給気が必要な状況でのみ燃焼室内に過給
気を供給することができる。
【００１９】また、第３発明の予混合圧縮着火内燃機関
は、第１発明の予混合圧縮着火内燃機関において、上記
エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段
と、アクセル状態を検出するアクセル状態検出手段と、
上記エンジン回転数検出手段及び上記アクセル状態検出
手段によって検出された上記エンジン回転数及び上記ア
クセル状態に基づいてエンジンの負荷状態を検出し、こ
のエンジン負荷状態に応じて上記過給機による過給を制
御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００２０】従って、この第３発明の予混合圧縮着火内
燃機関によれば、大きなエンジン出力が必要で燃焼室内
に供給される燃料量の多い高負荷運転時にのみ過給機に
より過給気を燃焼室内に供給することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。
【００２２】図１は本発明の実施の形態に係る予混合圧
縮着火内燃機関のシステム構成図、図２は上記予混合圧
縮着火内燃機関の早期噴射時期を示すタイムチャート、
図３は上記予混合圧縮着火内燃機関のＥＣＵの処理内容
を示すフローチャート、図４は上記予混合圧縮着火内燃
機関と通常のディーゼル機関とのＮＯX 排出濃度の比較
を示すグラフである。
【００２３】図１において、１はシリンダの燃焼室であ
り、この燃焼室１内にはピストン２が上下に往復運動可
能に設けられている。ピストン２はコンロッド３を介し
て図示しないクランクシャフトに連結されている。
【００２４】一方、燃焼室頂部の中央部には、燃料噴射
弁４が設けられている。燃料噴射ポンプ２１から燃料が
送給されてくると、燃料噴射弁４が開弁して燃焼室１内
に燃料が噴射される。この燃料噴射弁４の開弁時期、即
ち、燃焼室１内に燃料が早期噴射される時期は、制御手
段としてのコントローラ（以下ＥＣＵと称す）がエンジ
ン負荷状態に基づいて上記燃料噴射装置を制御すること
により、エンジン負荷状態に応じた時期に調節されるよ
うになっている。
【００２５】つまり、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に早
期噴射時期の具体例を示すように、エンジン低負荷時に
は圧縮上死点ＴＤＣ付近で燃料噴射弁４が開弁して燃料
が噴射され、エンジン中負荷時には圧縮上死点ＴＤＣ前
９０度付近で燃料噴射弁４が開弁して燃料が噴射され、
エンジン高負荷時には圧縮下死点ＢＤＣ付近で燃料噴射
弁４が開弁して燃料が噴射されるようになっている。そ
して、何れのエンジン負荷状態においても、少なくとも
圧縮上死点ＴＤＣ前までには燃焼室１内への燃料の供給
が終了されるようになっている。また、ＥＣＵ３０は燃
料噴射ポンプ２１を制御して、図２（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）に示すようにエンジン負荷が大きいとき程、燃料
噴射弁４の開いている時間を長くして燃焼室１内に供給
される燃料量を増加している。
【００２６】また、燃焼室頂部の左右両側部には、吸気
ポート５と排気ポート６とが設けられている。吸気ポー
ト５と排気ポート６には吸気弁７と排気弁８とがそれぞ
れ設けられている。吸気弁７と排気弁８は図示しないカ
ムシャフトのカムにより駆動されて、吸気ポート５と排
気ポート６とをそれぞれ開閉する。
【００２７】そして、吸排気系には過給圧力の調節が可
能な過給機としてＶＧ（Variable Geometry;可変ノズル
ベーン付）ターボチャージャ９が設けられている。即
ち、吸気ポート５に通じる吸気管１０にはＶＧターボチ
ャージャ９の圧縮機９ａが配置され、排気ポート６に通
じる排気管１１にはＶＧターボチャージャ９の排気ター
ビン９ｂが配置されており、この排気タービン９ｂ側に
は可変ノズルベーン９ｃが設けられている。
【００２８】また、吸気管１０にはＶＧターボチャージ
ャ９の圧縮機９ａをバイパスするバイパス管１０ａが設
けられており、このバイパス管１０ａには給気バイパス
用のコントロールバルブ１２が設けられている。排気管
１１にはＶＧターボチャージャ９の排気タービン９ｂを
バイパスするバイパス管１１ａが設けられており、この
バイパス管１１ａには排気バイパス用のコントロールバ
ルブ１３が設けられている。
【００２９】従って、燃焼室１から排気ポート６を介し
て排出された排気ガスによって排気タービン９ｂが回転
駆動されると圧縮機９ａも回り、これによって圧縮され
た空気（過給気）が燃焼室１内に供給される。即ち、燃
焼室１にはエンジンの吸気行程において燃焼室１内の負
圧により吸入される吸気とＶＧターボチャージャ９によ
り供給される過給気とからなる給気が取り込まれるよう
になっている。そして、過給時の過給圧力は、ＥＣＵ３
０によってＶＧターボチャージャ９の可変ノズルベーン
９ｃやコントロールバルブ１２，１３を制御することに
より、所望の圧力になるよう制御される（詳細後述）。
【００３０】また、吸排気系にはＥＧＲ装置１４が設け
られている。ＥＧＲ装置１４は吸気管１０と排気管１１
とをつなぐ配管１４ａと、配管１４ａの途中に設けられ
たＥＧＲクーラ１４ｃと、配管１４ａの下流側に設けら
れたコントロールバルブ１４ｂとから構成されている。
【００３１】従って、ＥＧＲ装置１４では、排気管１１
を流れる排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を、配管１４ａ
を介し且つＥＧＲクーラ１４ｃで冷却して吸気管１０へ
と再循環させる。この再循環されたＥＧＲガスは燃焼室
１に供給される給気に混合される。また、このときのＥ
ＧＲ率（給気のうちのＥＧＲガスの占める割合）は、図
示しないＥＧＲ制御装置でコントロールバルブ１４ｂを
制御してＥＧＲガス流量を変えることにより、適宜調節
することができるようになっている。
【００３２】また、吸排気系にはインタークーラ１５が
設けられている。このインタークーラ１５は、ＶＧター
ボチャージャ９の圧縮機９ａの下流側に位置するように
吸気管１０に設けられている。従って、ＶＧターボチャ
ージャ９によって圧縮された空気（過給気）はインター
クーラ１５によって冷却された後に燃焼室１内へ供給さ
れる。ＶＧターボチャージャ９によって圧縮された空気
（過給気）は温度が上昇するため、このまま過給気が燃
焼室１内に供給された場合には燃料の着火時期に影響
し、着火時期を早めることになる。その結果、燃料と空
気との混合が不十分な時点で燃焼することになり、燃費
の悪化等を招くことになる。このため、インタークーラ
１５によって過給気の冷却を行う。
【００３３】そして、本実施の形態ではＥＣＵ３０によ
りＶＧターボチャージャ９とコントロールバルブ１２，
１３とを制御して、エンジン負荷状態にかかわらず空気
過剰率λを所定値以上に保持するようになっている。
【００３４】即ち、ＥＣＵ３０には過給圧力を調整して
空気過剰率λを所定値以上に維持するために、図１に示
すようにアクセル開度ａ、エンジン回転数ｂ、給気温度
ｃ、給気圧力ｄ、水温ｅ、油温ｆ、運転履歴ｇ及びＥＧ
Ｒ率ｈが入力される。
【００３５】燃料量はアクセル開度ａ、エンジン回転数
ｂに基づきＥＣＵ３０の図示しないマップにより算出さ
れる。アクセル開度ａはアクセル開度センサ２７によっ
て検出され、更に、エンジン回転数ｂは図示しないクラ
ンクシャフト部に設けられたクランク角センサ２２によ
って検出される。給気温度ｃと給気圧力ｄは吸気管１０
に設けられた給気温度センサ２３と給気圧力センサ２４
とによってそれぞれ検出される。
【００３６】水温ｅはエンジン冷却水の温度であり、図
示しないエンジン冷却水系統に設けられた水温センサ２
５によって検出される。油温ｆはエンジン潤滑油の温度
であり、図示しないエンジン潤滑油系統に設けられた油
温センサ２６によって検出される。
【００３７】運転履歴ｇは現時点までのエンジン負荷状
態の履歴、つまり、今までアイドリング状態（無負荷運
転状態）であったのか、高速走行状態（高負荷運転状
態）であったのか等の履歴であり、図示しない運転履歴
監視装置によって監視され、この運転履歴監視装置から
ＥＣＵ３０へ出力される。ＥＧＲ率ｈは図示しないＥＧ
Ｒ制御装置からＥＣＵ３０へ出力される。
【００３８】ＥＣＵ３０の処理内容は図３のフローチャ
ートに示す通りである。即ち、同フローチャートに示す
ように、ＥＣＵ３０では、まず、アクセル開度センサ２
７、クランク角センサ２２、給気温度センサ２３及び給
気圧力センサ２４からアクセル開度ａ、エンジン回転数
ｂ、給気温度ｃ及び給気圧力ｄを入力し（Ｓ１）、これ
らの情報に基づいて筒内（燃焼室１内）の平均空気過剰
率λを計算する（Ｓ２）。
【００３９】続いて、上記エンジン回転数ｂの他、水温
センサ２５と油温センサ２６とからは水温ｅと油温ｆを
入力し、また、運転履歴監視装置からは運転履歴ｇを入
力し、ＥＧＲ制御装置からはＥＧＲ率ｈを入力する（Ｓ
３）。そして、これらの情報に基づき、筒内平均空気過
剰率λがノッキングの発生する虞のない値であるか否か
を判定するための判定値Ａを決定する（Ｓ４）。
【００４０】このとき、例えば、運転履歴ｇなどからエ
ンジンが高負荷運転状態であってエンジンの筒内温度が
高いと判断された場合には、ノッキングが起こりやすい
状態にあるため、燃料量に対する空気量の割合が多めに
なるように判定値Ａは大きめに設定される。逆に、運転
履歴ｇなどからエンジンが低負荷運転状態であってエン
ジンの筒内温度が低いと判断された場合には、判定値Ａ
は小さめに設定される。なお、運転履歴ｇは判定値Ａの
決定にはあまり影響せず、判定値Ａを多少補正する程度
であると考えられる。
【００４１】また、ＥＧＲ装置１４によってＥＧＲ（排
気ガス再循環）が行われている場合には、ＥＧＲ率ｈに
応じて判定値Ａは小さめに設定される。ＥＧＲが行われ
ているときには、燃焼室１内での燃焼が比較的緩慢にな
ってノッキングが起こりにくい状態になり、空気過剰率
λが比較的小さくてもノッキングが生じないためであ
る。なお、ＥＧＲ率ｈは判定値Ａの決定に非常に影響す
ると考えられる。
【００４２】判定値Ａが決定されたら（Ｓ４）、この判
定値Ａと筒内平均空気過剰率λとを比較する（Ｓ５）。
その結果、筒内平均空気過剰率λが判定値Ａよりも大き
いと判断された場合、即ち、燃焼室１内に供給される燃
料量に対して十分な空気量があるためノッキングが生じ
る状態ではないと判断された場合には、まず、現在、Ｖ
Ｇターボチャージャ９によって過給中であるか否かを判
定する（Ｓ８）。
【００４３】この判定の結果、現在、過給中ではないと
判断された場合には、無過給状態のままとする（Ｓ
９）。即ち、コントロールバルブ１２，１３は開き、Ｖ
Ｇターボチャージャ９をバイパスする。
【００４４】一方、判定値Ａと筒内平均空気過剰率λと
の比較（Ｓ５）の結果、筒内平均空気過剰率λが判定値
Ａ以下であると判断された場合、即ち、空気量が不足し
てノッキングが生じやすい状態であると判断された場合
には、判定値Ａに応じた（燃料量に応じた）過給圧力を
決定し、この過給圧力になるようにＶＧターボチャージ
ャ９の可変ノズルベーン９ｃやコントロールバルブ１
２，１３を制御することにより、空気過剰率λを判定値
Ａ以上（λ＞Ａ）に保持する（Ｓ６，Ｓ７）。つまり、
過給によって、燃焼室１内に供給される燃料量に見合っ
た（ノッキングが生じない）空気量を確保する。
【００４５】例えば、ＥＧＲを行わない場合には空気過
剰率λを２．０＜λ＜２．５の範囲に保持するように過
給圧力を制御する。つまり、判定値Ａ及びλ制御の値は
ＥＧＲ無しの条件では約２．５であるが、エンジン回転
数ｂ等のエンジン諸条件により、２．０〜２．５の間で
変動する。ＥＧＲ有りの条件では、これらの値よりも小
さめの値となる。なお、ノッキングの発生を防止すると
いう観点からは燃料量に対して十分な空気量があればよ
いが、空気過剰率λの上限を２．５に設定しているのは
無駄な過給を無くし、且つ、空気量の過剰による失火を
防止するためである。
【００４６】また、上記判定（Ｓ８）の結果、過給中で
あると判断された場合にも、このときには過給を行うこ
とによって空気過剰率λがノッキングの生じない所定の
範囲内に保持されているので、そのまま過給状態を継続
する（Ｓ６，Ｓ７）。
【００４７】なお、このとき燃料量に対して空気量が多
過ぎて空気過剰率λが２．５を超えていれば、ＶＧター
ボチャージャ９の可変ノズルベーン９ｃを制御して或い
はコントロールバルブ１２，１３を開方向に動かして過
給を弱めることにより、空気過剰率λが２．０〜２．５
の範囲内になるように調整される。従って、エンジン負
荷が低負荷となって燃料量に対する空気量の割合が非常
に大きくなれば、ＶＧターボチャージャ９の可変ノズル
ベーン９ｃが全開し、コントロールバルブ１２，１３が
開いて無過給状態となる。こうして無過給状態となった
後に上記判定（Ｓ８）が行われた場合には、この判定結
果はＹｅｓとなり、無過給状態が維持される（Ｓ９）。
【００４８】以上のように、本実施の形態の予混合圧縮
着火内燃機関によれば、ＶＧターボチャージャ９の過給
作用により、エンジン運転状態に左右されずに燃焼室１
内に供給される空気量を十分に確保することができるの
で同空気量が燃焼室１内に供給される燃料量に対して不
足することはなく、燃焼室１内の希薄燃焼が保たれてノ
ッキングの発生が防止される。このためエンジン全運転
域においてＮＯX 排出濃度の低い予混合圧縮着火燃焼を
行うことができる。
【００４９】即ち、従来の予混合圧縮着火内燃機関で
は、図６に例示するように出力Ｐ以上のエンジン出力領
域においては燃料量に対する空気量の不足からノッキン
グが生じて運転が不可能になり、また、ＮＯX 排出濃度
の増加も招いていたが、本実施の形態に係る予混合圧縮
着火内燃機関では、図４に例示するように従来ノッキン
グの発生により運転ができなかった出力Ｐ以上の高出力
（高燃料量）領域においても、ＶＧターボチャージャ９
の過給作用により、燃料量に対して十分な（ノッキング
の生じない）空気量を確保する（空気過剰率λを高く保
つ）ことができるため、超低ＮＯX 燃焼を維持したまま
燃料量の増大が可能となり、予混合圧縮着火内燃機関の
出力範囲が拡大する。
【００５０】基礎試験の結果では、約８０ｋＰａの過給
（燃焼室内に通常の１．８倍程度の量の空気を供給でき
る過給）により、空気過剰率λが２．３に保たれて通常
の無過給ディーゼル機関の全負荷相当の出力を確保する
ことができた。しかも、より高過給とすることで更なる
高出力化も可能である。
【００５１】また、本実施の形態の予混合圧縮着火内燃
機関では、筒内平均空気過剰率λに応じてＶＧターボチ
ャージャ９による過給を制御するため、過給気が不要な
間は燃焼室１内に過給気を供給せず、過給気が必要な状
況でのみ燃焼室１内に過給気を供給することができる。
このため、効率のよい過給を行うことができる。本発明
に用いる過給機はＶＧターボチャージャに限らず、どの
ような過給機であってもよいが、特に、エンジン動力で
駆動される過給機（スーパーチャージャ）を用いるよう
な場合には、この過給機を過給気が不要な運転状態では
不作動とすることにより、エンジン出力ロスの抑制や燃
費の低減を図ることができる。
【００５２】言い換えると、ＥＣＵ３０はエンジン負荷
状態に応じてＶＧターボチャージャ９と燃料噴射ポンプ
２１とを制御することができ、低負荷運転域においては
コントロールバルブ１２，１３を開方向に動かして過給
を弱め、燃料噴射のタイミングをより圧縮上死点ＴＤＣ
に近づける制御を行い、高負荷運転域においてはコント
ロールバルブ１２，１３を閉方向に動かして過給を強
め、燃料噴射のタイミングをより圧縮下死点ＢＤＣに近
づける制御を行うことで、エンジンの運転状態における
燃料噴射タイミングと過給とを融合した制御が行え、エ
ンジン負荷状態にかかわらず、低ＮＯX を図ることがで
きる。
【００５３】なお、その他の過給機として、吸気管１０
にポンプ等で空気を供給するものや、燃焼室１内に直接
空気を供給するために燃焼室１内にエアノズルを配設し
てもよい。
【００５４】ところで、上記では筒内平均空気過剰率λ
に応じてＶＧターボチャージャ９による過給を制御する
場合について説明したが、これに限らず、エンジン負荷
状態に応じてＶＧターボチャージャ９による過給を制御
してもよい。
【００５５】即ち、図５に示すように、ＥＣＵ３０には
クランク角センサ２２によって検出されるエンジン回転
数ｂと、アクセル状態ｉとを入力するようにする。アク
セル状態ｉはアクセル２８の踏み込み量であり、アクセ
ルペダル２８に設けられたアクセル開度センサ２７によ
って検出される。
【００５６】そして、図示は省略するが、ＥＣＵ３０で
は、まず、クランク角センサ２２とアクセル開度センサ
２７とからエンジン回転数ｂとアクセル状態ｉとを入力
し、これらの情報に基づいてエンジンの負荷状態を検出
する。続いて、このエンジン負荷状態と、ノッキングの
発生が予想される所定の負荷（出力）値（例えば図４に
示す出力Ｐ）とを比較する。
【００５７】その結果、エンジン負荷状態が所定値より
も小さくて低負荷状態であると判断された場合には、Ｖ
Ｇターボチャージャ９による過給は行わず無過給状態と
する。一方、エンジン負荷状態が所定値以上であって高
負荷状態であると判断された場合には、ＶＧターボチャ
ージャ９による過給を実施して空気過剰率λを高い状態
に保持する。
【００５８】従って、このＥＣＵ３０ではエンジン負荷
状態に応じてＶＧターボチャージャ９による過給を制御
するため、大きなエンジン出力が必要で燃焼室１内に供
給される燃料量の多い高負荷運転時にのみＶＧターボチ
ャージャ９により過給気を燃焼室１内に供給することが
でき、高負荷運転時においてもノッキングを起こさず、
燃料量の増大に応じた高出力の予混合圧縮着火燃焼（超
低ＮＯX 燃焼）が得られ、且つ、低負荷運転時には無駄
な過給を行わずにエンジン出力ロスの抑制や燃費の低減
を図ることができる。
【００５９】なお、本発明は、上記のような燃料を燃焼
室内に直接早期噴射する方式の予混合圧縮着火内燃機関
に限らず、燃料を吸気管内に噴射して混合気とし、この
混合気を吸気行程において燃焼室内に取り込む方式の予
混合圧縮着火内燃機関にも適用することができる。後者
の場合にも、当然、圧縮上死点ＴＤＣ前までに燃料の供
給が終了することになる。
【００６０】
【発明の効果】以上、発明の実施の形態と共に具体的に
説明したように、第１発明の予混合圧縮着火内燃機関に
よれば、エンジンの吸気行程において燃焼室の負圧によ
り吸入される吸気と過給機により供給される過給気とか
らなる給気が上記燃焼室に取り込まれるため、過給機の
過給作用により、エンジン運転状態に左右されずに燃焼
室内に供給される空気量を十分に確保することができる
ので同空気量が燃焼室内に供給される燃料量に対して不
足することはなく、燃焼室内の希薄燃焼が保たれてノッ
キングの発生が防止される。このためエンジン全運転域
においてＮＯX 排出濃度の低い予混合圧縮着火燃焼を行
うことができる。
【００６１】また、第２発明の予混合圧縮着火内燃機関
によれば、平均空気過剰率に応じて過給機による過給を
制御するため、過給気が不要な間は燃焼室内に過給気を
供給せず、過給気が必要な状況でのみ燃焼室内に過給気
を供給することができる。このため、無駄な過給を行わ
ずにエンジン出力ロスの抑制や燃費の低減を図ることが
できる。
【００６２】また、第３発明の予混合圧縮着火内燃機関
によれば、エンジン負荷状態に応じて過給機による過給
を制御するため、大きなエンジン出力が必要で燃焼室内
に供給される燃料量の多い高負荷運転時にのみ過給機に
より過給気を燃焼室内に供給することができ、高負荷運
転時においてもノッキングを起こさず、燃料量の増大に
応じた高出力の予混合圧縮着火燃焼（超低ＮＯX 燃焼）
が得られ、且つ、低負荷運転時には無駄な過給を行わず
にエンジン出力ロスの抑制や燃費の低減を図ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃
機関のシステム構成図である。
【図２】上記予混合圧縮着火内燃機関の早期噴射時期を
示すタイムチャートである。
【図３】上記予混合圧縮着火内燃機関のＥＣＵの処理内
容を示すフローチャートである。
【図４】上記予混合圧縮着火内燃機関と通常のディーゼ
ル機関とのＮＯX 排出濃度の比較を示すグラフである。
【図５】上記ＥＣＵの他の構成を示すブロック図であ
る。
【図６】通常のディーゼル機関と予混合圧縮着火内燃機
関との燃料噴射時期の比較を示すタイムチャートであ
る。
【図７】上記通常のディーゼル機関と上記予混合圧縮着
火内燃機関とのＮＯX 排出濃度の比較を示すグラフであ
る。
【符号の説明】
１ 燃焼室 ２ ピストン ３ コンロッド ４ 燃料噴射弁 ５ 吸気ポート ６ 排気ポート ７ 吸気弁 ８ 排気弁 ９ ＶＧターボチャージャ ９ａ 圧縮機 ９ｂ 排気タービン ９ｃ 可変ノズルベーン １０ 吸気管 １０ａ，１１ａ バイパス管 １１ 排気管 １２，１３，１４ｂ コントロールバルブ １４ ＥＧＲ装置 １４ａ 配管 １４ｃ ＥＧＲクーラ １５ インタークーラ ２１ 燃料噴射ポンプ ２２ クランク角センサ ２３ 給気温度センサ ２４ 給気圧力センサ ２５ 水温センサ ２６ 油温センサ ２７ アクセル開度センサ ２８ アクセルペダル ３０ ＥＣＵ ａ アクセル開度 ｂ エンジン回転数 ｃ 給気温度 ｄ 給気圧力 ｅ 水温 ｆ 油温 ｇ 運転履歴 ｈ ＥＧＲ率 ｉ アクセル状態
───────────────────────────────────────────────────── 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 21/08 ３１１ Ｆ０２Ｄ 21/08 ３１１Ｂ 23/00 23/00 Ｐ Ｊ 23/02 23/02 Ｃ Ｈ 41/02 ３８０ 41/02 ３８０Ｄ 41/04 ３８０ 41/04 ３８０Ｃ ３８５ ３８５Ｃ (72)発明者 横川 敏隆 東京都大田区下丸子四丁目21番１号 三菱 自動車エンジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 3G005 DA02 EA04 EA15 EA16 FA22 GA02 GA04 GD14 GE09 HA04 HA05 HA12 JA12 JA13 JA24 JA39 JA42 JB02 3G084 BA07 BA13 BA15 CA03 CA04 DA02 DA10 DA38 EC02 FA00 FA02 FA10 FA11 FA13 FA20 FA33 FA37 3G092 AA02 AA06 AA17 AA18 AB03 BA04 BB06 DB03 DB06 DC04 DC09 EA01 EA02 EA07 FA01 FA16 FA17 HA04Z HA05Z HA11Z HA16X HA16Z HB01Z HB02X HD07X HD07Z HE01Z HE03Z HE08Z HF08Z 3G301 HA02 HA11 HA13 JA22 JA25 KA06 LA00 LB11 LB13 MA14 MA18 PA07Z PA10Z PE01Z PE03Z PE08Z PF03Z

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エンジンの吸気行程において燃焼室の負
    圧により吸入される吸気と過給機により供給される過給
    気とからなる給気が上記燃焼室に取り込まれるととも
    に、少なくとも圧縮上死点前までに上記燃焼室内への燃
    料の供給が終了され、ピストンの圧縮作用により圧縮上
    死点付近にて予混合圧縮自己着火燃焼を行うことを特徴
    とする予混合圧縮着火内燃機関。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載する予混合圧縮着火内燃
    機関において、 上記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手
    段と、 上記燃焼室内に供給される上記燃料の量を検出する燃料
    量検出手段と、 上記燃焼室内に供給される上記給気の温度を検出する給
    気温度検出手段と、 上記燃焼室内に供給される上記給気の圧力を検出する給
    気圧力検出手段と、 上記エンジン回転数検出手段、上記燃料量検出手段、上
    記給気温度検出手段及び上記給気圧力検出手段によって
    検出された上記エンジン回転数、上記燃料量、上記給気
    温度及び上記給気圧力に基づいて上記燃焼室内の平均空
    気過剰率を算出し、この平均空気過剰率に応じて上記過
    給機による過給を制御する制御手段とを有することを特
    徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載する予混合圧縮着火内燃
    機関において、 上記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手
    段と、 アクセル状態を検出するアクセル状態検出手段と、 上記エンジン回転数検出手段及び上記アクセル状態検出
    手段によって検出された上記エンジン回転数及び上記ア
    クセル状態に基づいてエンジンの負荷状態を検出し、こ
    のエンジン負荷状態に応じて上記過給機による過給を制
    御する制御手段とを有することを特徴とする予混合圧縮
    着火内燃機関。
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