JP2001020744A - エンジンの燃焼制御方法およびエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】予混合圧縮着火燃焼方式において低スモーク、
低ＮＯxの排気性能を維持しつつ、高負荷時でも過早着
火を起こさずに圧縮上死点以後に着火させるようにして
予混合圧縮燃焼を異常なく行わせる。さらに着火後の燃
焼室内の急激な燃焼速度の上昇、圧力上昇を防止し、Ｎ
Ｏx生成量を低減させるとともに騒音発生、エンジン破
損という問題をなくす。 【解決手段】エンジン１の高負荷運転に対応する燃料量
のうち一部または全部の量の燃料が、燃焼室内に供給さ
れる。そして供給された燃料の予混合気が、燃焼室内の
局所的な領域４内で、理論空燃比よりも過濃（空燃比Ａ
/Ｆで８〜１０）となるように生成される。そして燃焼
室内の局所的な領域４に生成された予混合気の濃度が、
過濃の濃度に保持された状態で、過濃予混合気内の燃料
が着火されて燃焼が行われる。そして過濃予混合気が局
所的な領域４から当該領域４外の領域５に開放され、燃
焼室内の新気と拡散混合される。これにより過濃予混合
気中の未燃焼の燃料が燃焼される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエンジンの燃焼室内
に空気と燃料を供給し、これら空気と燃料の予混合気を
圧縮し、所望の時期に燃料を着火させて燃焼を行うディ
ーゼルエンジンなどのエンジンの燃焼制御方法およびエ
ンジンの構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジ
ンに比較して熱効率に優れていて過酷な条件（高負荷連
続運転）に耐えるなどの利点を有している。しかし一方
で窒素酸化物ＮＯxがガソリンエンジンの２〜３倍程度
排出されたり、すす（粒子状排出物）が排出されたりす
るなど排気が清浄ではなく、環境的に好ましくないなど
の不利な点もある。

【０００３】そこで本発明者らは熱効率を維持しつつ排
気を清浄化する方法について研究を続けている。

【０００４】ここに従来のディーゼルエンジンの燃焼
は、ピストンによって圧縮した高温空気中に燃料を噴射
させて燃料を噴霧状態で燃焼させるというものである
（従来燃焼方式）。しかしこの従来燃焼方式を採用する
と、噴霧燃焼であるためシリンダ内で局所的に燃焼温度
が高くなりＮＯxが大量に発生する。またシリンダ内で
局所的に混合気が過濃となり空気が不足してすすが大量
に発生してしまう。ここに従来は燃料の噴射を高圧にし
霧化を促進することでこれら問題に対処していた。しか
しこの燃料噴射の高圧化による方法には限界があること
が明らかになった。

【０００５】そこで近年つぎのような燃焼方法が考えら
れている。

【０００６】すなわちピストンによる圧縮前つまり吸気
行程あるいは圧縮行程早期（ピストンが下死点付近に位
置している間）に、燃料を空気とともにシリンダ内に噴
射させる。これによって燃料と空気の混合期間を確保し
予混合気をシリンダ内に形成させる。その後予混合気を
ピストンによって圧縮して、シリンダ内の温度を上昇さ
せる。そして混合気が温度等の各パラメータにより定ま
る着火臨界条件を超えると、シリンダ内の燃焼室（燃焼
室）全域にわたって燃料が自己着火することになる。な
おこの燃焼方式を本明細書では「予混合圧縮着火燃焼方
式」と呼ぶ。

【０００７】上記予混合圧縮着火燃焼方式を採用すると
きは、予め空気と燃料を均一に混合させておくことがで
きるので、シリンダ内の燃焼室（燃焼室）全域で均一に
燃料が燃焼する。しかも空気に対する燃料の比率を少な
くすることができ混合気を薄くすることができる。この
ため排出されるＮＯxを少なくすることができる。また
均一に燃焼するため、すすの排出量を少なくすることが
できる。

【０００８】このようにディーゼルエンジンにおいて吸
気行程あるいは圧縮行程の早期から燃料をシリンダ内に
供給することによって、燃料と空気の混合期間が確保さ
れ、低スモーク、低ＮＯxな排気性能が得られる。

【０００９】さてディーゼルエンジンにはガソリンエン
ジンのような絞り弁は通常なく、出力の調整は燃料噴射
量を加減することによりなされ、基本的には吸入空気量
はエンジン負荷に対して変化しない。このため空燃比Ａ
/Ｆはアイドリングから全負荷まで広範囲に変化する。
ディーゼルエンジンで一般的に利用される燃料濃度域は
空燃比Ａ/Ｆで約２０〜５０である。一般的なディーゼ
ルエンジンの空燃比Ａ/Ｆ（燃料濃度）と混合気の着火
遅れ時間との関係を図８に示す。図８に矢印（斜線）で
示す範囲が一般的なディーゼルエンジンの作動域であ
る。ここで着火遅れ時間とは燃料がシリンダ内に導入さ
れてから燃焼を引き起こす（シリンダ内圧力が立ち上が
る）までの時間のことである。

【００１０】理論空燃比（理論混合気濃度）は図８に破
線で示すように約１４．３である。これはディーゼルエ
ンジンの燃料（軽油）の組成に基づく。

【００１１】しかし予混合圧縮着火燃焼方式では、空燃
比Ａ/Ｆが３０以下で２０以上の濃い燃料濃度域で運転
されると、図８に示すように着火遅れ時間が短くなり、
圧縮上死点前に着火してしまう。エンジンが高負荷運転
されているときには燃焼噴射量を多くしシリンダ内に、
空燃比Ａ/Ｆが３０以下で２０以上の濃い予混合気を生
成せざるを得ない。このためエンジンの高負荷運転時に
早期に自着火してしまい燃焼が異常になりノッキングが
発生してしまうなどの問題が起きる。

【００１２】このため高負荷時でも過早着火を起こさず
に圧縮上死点以後に着火させるようにして予混合圧縮燃
焼を異常なく行わせることが望まれる。

【００１３】また予混合圧縮着火燃焼方式では、空燃比
Ａ/Ｆが３０以下で２０以上の濃い燃料濃度域で運転さ
れると、着火後の燃焼速度が急激になる。このためシリ
ンダ内の燃焼温度が高くなり、従来燃焼方式よりもＮＯ
x生成量が却って多くなる。さらにはシリンダ内の圧力
が急激に上昇するために騒音やエンジン破損のおそれと
いう問題が生じる。

【００１４】このため着火後の燃焼室内の急激な燃焼速
度の上昇、圧力上昇を防止し、ＮＯx生成量を低減させ
るとともに騒音発生、エンジン破損という問題をなくす
ことが望まれる。

【００１５】以上のように高負荷運転に相当する量の燃
料を全量予混合にすると、早期に着火したり、たとえ遅
く着火し得たとしても燃焼室内の圧力が急激に上昇する
などの問題があった。さらに予混合圧縮着火燃焼方式の
利点である低スモーク、低ＮＯxの排気性能は、これを
維持しなければならない。

【００１６】そこで本発明は、予混合圧縮着火燃焼方式
において低スモーク、低ＮＯxの排気性能を維持しつ
つ、高負荷時でも過早着火を起こさずに圧縮上死点以後
に着火させるようにして予混合圧縮燃焼を異常なく行わ
せることを第１の解決課題とする。

【００１７】また本発明は、上記第１の解決課題に加え
て、着火後の燃焼室内の急激な燃焼速度の上昇、圧力上
昇を防止し、ＮＯx生成量を低減させるとともに騒音発
生、エンジン破損という問題をなくすことを第２の解決
課題とする。

【００１８】ここで一般的技術水準を示すものとして特
開平９−１５８８１０号公報に記載された発明がある。
この公報には、負荷、回転に応じた全燃料のうちの一部
を早期に噴射して予混合化し希薄の予混合気を生成し、
さらに従来燃焼方式のごとく、ピストンによって圧縮し
た高温空気中に残りの燃料を噴射して、未燃焼の希薄予
混合気を燃焼させるという発明が記載されている。

【００１９】しかしこの公報記載の発明は、負荷、回転
領域が多岐にわたる車両用エンジンに予混合圧縮着火方
式を適用することを目的となされたものであり、上記第
１の解決課題、第２の解決課題の達成を目的とするもの
ではない。上記公報記載の発明は、全燃料のうちの一部
しか予混合化しておらず、残りを従来燃焼方式によって
燃焼させている。この従来燃焼方式で燃焼される燃料の
割合は空燃比Ａ/Ｆが小さくなるほど大きくなる。この
ため高負荷になるほど排気性能は、従来燃焼方式に近づ
き、ＮＯx、スモークの発生が多くなるという問題が生
じる。

【００２０】また従来よりいわゆるリッチ・リーンバー
ン燃焼方式が試みられている。

【００２１】この方式ではピストン頭部に２つの凹部を
形成することで２つの燃焼室が形成される。そして圧縮
行程の上死点に到達したときに燃料が噴射される。すな
わち従来燃焼方式による燃焼がなされる。２つの燃焼室
のうちの１つの燃焼室で噴霧燃焼がなされる。このため
予混合圧縮着火方式と異なり大量にＮＯxが生成される
とともにすすが生成される。この大量に生成されたすす
は、ピストンが上死点付近に存在し高温となっている状
態で周囲のもう一つの燃焼室内の空気と迅速に混合させ
ることで燃やされなければならない。しかしすすと空気
を迅速に混合させ黒煙の再燃焼を促進するためには空気
に乱れを与えて燃焼ガスと新気の混合を急速に行わなけ
ればならない。このためには空気に乱れを与えるための
ノズルを追加するなどの必要があり、リッチ・リーンバ
ーン燃焼方式の実用化は困難となっている。

【００２２】すなわちこのリッチ・リーンバーン燃焼方
式は、予混合圧縮着火方式と異なり、低スモーク、低Ｎ
Ｏxの排気性能を容易に達成できないという本質的な問
題がある。

【００２３】

【課題を解決するための手段および効果】そこで本発明
の第１発明は上記第１の解決課題を達成するために、エ
ンジンの燃焼室内に空気と燃料を供給し、これら空気と
燃料の予混合気を圧縮して、所望の着火時期に前記燃料
を着火させて燃焼を行うエンジンの燃焼制御方法におい
て、エンジンの高負荷運転に対応する燃料量のうち一部
または全部の量の燃料を、前記燃焼室内に供給する燃料
供給行程と、前記供給された燃料の予混合気が、前記燃
焼室内の局所的な領域内で、理論空燃比よりも過濃とな
るように生成する過濃予混合気生成行程と、前記燃焼室
内の局所的な領域に生成された予混合気の濃度を、前記
過濃の濃度に保持した状態で、当該過濃予混合気内の燃
料を着火させて燃焼を行う過濃燃料燃焼行程とを具えた
ことを特徴とする。

【００２４】第１発明を、図３を参照して説明する。

【００２５】第１発明によれば、図３−１に示すように
エンジン１の高負荷運転に対応する燃料量のうち一部ま
たは全部の量の燃料が、燃焼室内に供給される。そして
供給された燃料の予混合気が、燃焼室内の局所的な領域
４内で、理論空燃比よりも過濃（空燃比Ａ/Ｆで８〜１
０）となるように生成される。そして図３−６に示すよ
うに、燃焼室内の局所的な領域４に生成された予混合気
の濃度が、過濃の濃度に保持された状態で、過濃予混合
気内の燃料が着火されて燃焼が行われる。

【００２６】このように第１発明によれば、エンジン１
の高負荷運転に対応する燃料量のうち、たとえ全部の量
の燃料を、燃焼室内に供給したとしても、予混合気が燃
焼室内の局所的な領域４で生成されるので、予混合気の
濃度を希薄にすることなく、理論空燃比よりも過濃（空
燃比Ａ/Ｆで８〜１０）にすることができる。予混合気
の濃度が理論空燃比よりも過濃（空燃比Ａ/Ｆで８〜１
０）になると、図８に示すように着火遅れ時間が大きく
なる。このため燃焼室内の局所的な領域４に生成された
予混合気の濃度を、過濃の濃度に保持することで、過濃
予混合気内の燃料が過早着火を起こさずに圧縮上死点以
後に着火されて正常な燃焼が行われる。またこのときの
燃焼温度はスス生成が顕著になる温度（約２００Ｋ以
上）よりも低いので、過濃であるにもかかわらず黒煙の
生成が無い。

【００２７】以上のように第１発明によれば、高負荷に
対応する燃料量の予混合気を過濃にして着火することが
できるので、予混合圧縮着火燃焼方式において低スモー
ク、低ＮＯxの排気性能を維持しつつ、高負荷時でも過
早着火を起こさずに圧縮上死点以後に着火させ予混合圧
縮燃焼を異常なく行わせることができる。

【００２８】第２発明は、第２の解決課題を達成するた
めに、エンジンの燃焼室内に空気と燃料を供給し、これ
ら空気と燃料の予混合気を圧縮して、所望の着火時期に
前記燃料を着火させて燃焼を行うエンジンの燃焼制御方
法において、エンジンの高負荷運転に対応する燃料量の
うち一部または全部の量の燃料を、前記燃焼室内に供給
する燃料供給行程と、前記供給された燃料の予混合気
が、前記燃焼室内の局所的な領域内で、理論空燃比より
も過濃となるように生成する過濃予混合気生成行程と、
前記燃焼室内の局所的な領域に生成された予混合気の濃
度を、前記過濃の濃度に保持した状態で、当該過濃予混
合気中の燃料を着火させて燃焼を行う過濃燃料燃焼行程
と、前記過濃予混合気を前記局所的な領域から当該領域
外に開放し、前記燃焼室内の新気と拡散混合させること
によって、前記過濃予混合気中の未燃焼の燃料を燃焼さ
せる未燃焼燃料燃焼行程とを具えたことを特徴とする。

【００２９】第２発明を、図３を参照して説明する。

【００３０】第２発明によれば、図３−１に示すように
エンジン１の高負荷運転に対応する燃料量のうち一部ま
たは全部の量の燃料が、燃焼室内に供給される。そして
供給された燃料の予混合気が、燃焼室内の局所的な領域
４内で、理論空燃比よりも過濃（空燃比Ａ/Ｆで８〜１
０）となるように生成される。そして図３−６に示すよ
うに、燃焼室内の局所的な領域４に生成された予混合気
の濃度が、過濃の濃度に保持された状態で、過濃予混合
気内の燃料が着火されて燃焼が行われる。そして図３−
７に示すように、過濃予混合気が局所的な領域４から当
該領域４外の領域５に開放され、燃焼室内の新気と拡散
混合される。これにより過濃予混合気中の未燃焼の燃料
が燃焼される。

【００３１】第２発明によれば、エンジン１の高負荷運
転に対応する燃料量のうち、たとえ全部の量の燃料を、
燃焼室内に供給したとしても、予混合気が燃焼室内の局
所的な領域４で生成されるので、予混合気の濃度を希薄
にすることなく、理論空燃比よりも過濃（空燃比Ａ/Ｆ
で８〜１０）にすることができる。予混合気の濃度が理
論空燃比よりも過濃（空燃比Ａ/Ｆで８〜１０）になる
と、図８に示すように着火遅れ時間が大きくなる。この
ため燃焼室内の局所的な領域４に生成された予混合気の
濃度を、過濃の濃度に保持することで、過濃予混合気内
の燃料が過早着火を起こさずに圧縮上死点以後に着火さ
れて正常な燃焼が行われる。このように第２発明によれ
ば、第１発明と同様に、高負荷に対応する燃料量の予混
合気を過濃にして着火することができるので、予混合圧
縮着火燃焼方式において低スモーク、低ＮＯxの排気性
能を維持しつつ、高負荷時でも過早着火を起こさずに圧
縮上死点以後に着火させ予混合圧縮燃焼を異常なく行わ
せることができる。

【００３２】局所的な領域４内の予混合気は、燃料が過
濃であるため、燃焼が不完全燃焼となり、全熱量は開放
されない。残りの燃焼は、過濃予混合気が局所的な領域
４から当該領域４外の領域５に開放され、燃焼室内の新
気と拡散混合することで達成される。この残りの燃焼過
程では、ガスの混合速度等によって燃焼速度が規定さ
れ、急激な発熱はなされない。このため着火後の燃焼速
度の上昇、急激な圧力上昇が抑制される。着火後の燃焼
室内の急激な燃焼速度の上昇、圧力上昇が抑制されるの
で、ＮＯx生成量が低減されるとともに騒音が低減さ
れ、エンジン破損が回避される。

【００３３】第３発明は、第１発明または第２発明にお
いて、前記燃料供給行程で、エンジンの高負荷運転に対
応する燃料量のうち一部の量の燃料が前記燃焼室内に供
給された場合に、残りの量の燃料を、前記燃焼室内に供
給する残量燃料供給行程と、前記供給された燃料の混合
気が、前記燃焼室のうち前記局所的な領域外の領域で、
前記所望の着火時期に燃料が着火する程度に希薄となる
ように生成する希薄混合気生成行程とをさらに具えたこ
とを特徴とする。

【００３４】第３発明では、図３に示すように、エンジ
ン１の高負荷運転に対応する燃料量のうち一部の量の燃
料が燃焼室内に供給される。そして残りの量の燃料は、
図３−４に示すように一部の量の燃料が供給された後に
燃焼室内に供給される。そして、図３−５に示すよう
に、供給された残りの燃料の混合気が、燃焼室のうち局
所的な領域４外の領域５で、所望の着火時期に燃料が着
火する程度に希薄（空燃比Ａ/Ｆで５０以上）となるよ
うに生成される。このため残りの燃料についても過早着
火を起こさずに圧縮上死点以後の所望の時期に着火され
て正常な燃焼が行われる。

【００３５】第４発明は、第２の解決課題を達成するた
めに、エンジンの燃焼室内に空気と燃料を供給し、これ
ら空気と燃料の予混合気を圧縮して、所望の着火時期に
前記燃料を着火させて燃焼を行うエンジンにおいて、エ
ンジンが上死点に到達した時点で前記燃焼室内に形成さ
れ、燃料が供給されることによって理論空燃比よりも過
濃の予混合気が生成される程度の大きさに局所的に画成
された領域と、エンジンが吸気行程で上死点に到達した
時点で、エンジンの高負荷運転に対応する燃料量のうち
一部または全部の量の燃料を、前記局所的な画成領域内
に供給する燃料供給手段とを設け、前記局所的な画成領
域内に生成された過濃予混合気中の燃料を着火させて燃
焼を行い、さらに膨脹行程で前記過濃予混合気を前記局
所的な画成領域から当該画成領域外に開放し、前記燃焼
室内の新気と拡散混合させることによって、前記過濃予
混合気中の未燃焼の燃料を燃焼させるようにしたことを
特徴とする。

【００３６】第４発明によれば、図３−１に示すよう
に、エンジン１が上死点に到達した時点で、燃料が供給
されることによって理論空燃比よりも過濃（空燃比Ａ/
Ｆで８〜１０）の予混合気が生成される程度の大きさに
局所的に画成された領域４が、燃焼室内に形成される。
そして図３−１に示すように、エンジン１が吸気行程で
上死点に到達した時点で、エンジン１の高負荷運転に対
応する燃料量のうち一部または全部の量の燃料が、局所
的な画成領域４内に供給される。

【００３７】このため図３−６に示すように、第１発
明、第２発明と同様に、局所的な画成領域４内に生成さ
れた過濃予混合気中の燃料を過早着火なく燃焼させるこ
とができ、正常に燃焼を行わせることができる。さらに
図３−７に示すように、膨脹行程で過濃予混合気が局所
的な画成領域４から当該画成領域４外の領域５に開放さ
れ、燃焼室内の新気と拡散混合され、過濃予混合気中の
未燃焼の燃料が燃焼されるので、第２発明と同様に着火
後の燃焼室内の急激な燃焼速度の上昇、圧力上昇が抑制
され、ＮＯx生成量、騒音を低減させ、エンジン破損を
回避することができる。

【００３８】第５発明は、第４発明において、前記燃料
供給手段によって、エンジンの高負荷運転に対応する燃
料量のうち一部の量の燃料が前記局所的な画成領域内に
供給された場合に、残りの量の燃料を、エンジンの圧縮
行程の上死点前の所定時期に、当該局所的な画成領域外
の領域に供給し、前記局所的な画成領域外の領域で、前
記所望の着火時期に燃料が着火する程度に希薄となる希
薄混合気を生成するようにしたことを特徴とする。

【００３９】第５発明によれば、図３−１に示すよう
に、エンジン１の高負荷運転に対応する燃料量のうち一
部の量の燃料が局所的な画成領域４内に供給される。そ
して残りの量の燃料は、図３−４に示すように、エンジ
ン１の圧縮行程の上死点前の所定時期に、当該局所的な
画成領域４外の領域５に供給される。そして図３−５に
示すように、局所的な画成領域４外の領域５で、所望の
着火時期に燃料が着火される程度に希薄（空燃比Ａ/Ｆ
で５０以上）となる希薄混合気が生成される。

【００４０】このため第３発明と同様に、残りの燃料に
ついても過早着火を起こさずに圧縮上死点以後の所望の
時期に着火されて正常な燃焼が行われる。

【００４１】第６発明は、第４発明において、前記局所
的な画成領域は、ピストンの頭部またはシリンダの頭部
に形成された凹部であることを特徴とする。

【００４２】第６発明によれば、図１に示すようにピス
トン３の頭部に凹部４を形成することで、図３−１に示
す局所的な画成領域４が形成される。

【００４３】第７発明は、第４発明において、前記局所
的な画成領域は、ピストンの頭部またはシリンダの頭部
に形成された凹部であり、残りの燃料が供給される前記
局所的な画成領域外の領域は、前記凹部の周囲であって
ピストンの頭部またはシリンダの頭部に形成された凹部
であることを特徴とする。

【００４４】第７発明によれば、図１に示すようにピス
トン３の頭部に凹部４を形成することで、図３−１に示
す局所的な画成領域４が形成される。また図１に示すよ
うに凹部４の周囲であってピストン３の頭部に凹部５が
形成され、この凹部５に、図３−４、図３−５に示すよ
うに残りの燃料が供給される。

【００４５】第８発明は、第４発明において、前記エン
ジンが軽負荷運転されているときには、前記燃焼室の全
体領域が、前記所望の着火時期に燃料が着火する程度に
希薄の濃度となるように燃料を供給する希薄燃料供給手
段をさらに具えたことを特徴とする。

【００４６】第８発明を、図５を参照して説明する。

【００４７】第８発明によれば、図５−５に示すよう
に、エンジン１が軽負荷運転されているときには、燃焼
室の全体領域４、５に、燃料が供給され希薄の濃度にさ
れる。そして燃料は所望の着火時期に燃料が着火され
る。

【００４８】なお本発明が適用されるエンジンは、自着
火温度の低い燃料を使用し圧縮熱によって燃料を着火さ
せるディーゼルエンジンに限らず、自着火温度の高い燃
料を使用し火花点火により燃料を着火させるガソリンエ
ンジンにも適用可能である。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明に係る
エンジンの燃焼制御方法およびエンジンの実施形態につ
いて説明する。

【００５０】なお本実施形態ではディーゼルエンジンを
想定しているが、ガソリンエンジンに適用することがで
きる。すなわち筒内噴射式ガソリンエンジンなど、エン
ジンの燃焼室内に空気と燃料を供給し、これら空気と燃
料の混合気を圧縮して所望の時期に燃料を着火させて燃
焼を行うエンジンであれば任意に適用可能である。

【００５１】図２は実施形態のエンジン１の構造を示
す。

【００５２】すなわち同図２に示すように、このエンジ
ン１は、大きくは、シリンダ２と、シリンダ２内に摺動
自在に配設され、シリンダ２内を上下に往復移動するピ
ストン３と、ピストン３に連結されたコンロッド６と、
コンロッド６に連結されたクランクシャフト７などから
構成されている。ピストン３の往復運動がコンロッド６
を介してクランクシャフト７に回転運動として伝達され
る。ピストン３の上部のシリンダ室が燃焼室を構成す
る。燃焼室は、混合気中の燃料が燃焼する室でもあると
同時にピストン３によって混合気が圧縮される圧縮室で
もある。

【００５３】燃焼室は中央部燃焼室４と外周部燃焼室５
とからなる。すなわち図１はピストン３の形状を示す図
である。図１（ｂ）はピストン３の頭部を示す上面図で
あり、図１（ａ）はピストン３の断面を示す断面図であ
る。同図１に示すようにピストン３の頭部の中央には凹
部４が形成されている。この凹部４が中央部燃焼室４に
相当する。この中央部燃焼室４は、入口の径よりも内部
の最大径の方が大きい断面形状となっている（図１
（ａ）参照）。中央部燃焼室４は、燃料が供給されるこ
とによって理論空燃比よりも過濃（空燃比Ａ/Ｆで８〜
１０）の予混合気が生成される程度の容積（大きさ）に
形成されている。

【００５４】ピストン３の頭部の外周に沿って、上記中
央の凹部４を取り囲むように、凹部５が形成されてい
る。この凹部５が外周部燃焼室５に相当する。この外周
部燃焼室５は、入口の径が最大径となる断面形状となっ
ている（図１（ａ）参照）。外周部燃焼室５は、燃料が
供給されることによって理論空燃比よりも過剰に希薄
（空燃比Ａ/Ｆで５０以上）の予混合気が生成される程
度の容積（大きさ）に形成されている。

【００５５】このようにピストン３を上面からみて同心
円状に２つの燃焼室４、５が形成されている。

【００５６】本実施形態ではピストン３の頭部に凹部を
設けて２つの燃焼室４、５を形成しているが、シリンダ
２の頭部に凹部を設けて同様に２つの燃焼室４、５を形
成してもよい。また２つの燃焼室４、５のうち一方の燃
焼室をピストン３の頭部に設けた凹部によって構成し、
他方の燃焼室をシリンダ２の頭部に設けた凹部によって
構成してもよい。

【００５７】さて図２において、図示しない燃料供給装
置からエンジン１の燃焼室に燃料が供給される。すなわ
ち燃料供給装置の燃料噴射ポンプからは一定量の燃料が
所定のパルス間隔で吐出され燃料噴射ノズル１２を介し
てエンジン１のシリンダ２内に燃料が噴射、供給され
る。吸気管８を通過した空気が燃焼室に供給される。吸
気管８を通過した空気は、吸気行程で吸入弁１０が開弁
している間に燃焼室に供給される。空気に対して所定の
比率をもって燃料が燃焼室内に供給され、所定の空燃比
Ａ/Ｆの混合気が燃焼室内で形成される。燃料は、後述
するようにピストン３が吸気行程の上死点（Ｔ．Ｄ．
Ｃ）から圧縮行程の上死点（Ｔ．Ｄ．Ｃ）に達するまで
の所定時期に１回ないしは２回噴射、供給される。

【００５８】シリンダ２内で燃焼された後の排気ガスは
排気管９を介して外気に排出される。排気ガスは、排気
行程で排気弁１１が開弁している間に燃焼室から排気管
９を通り外気に排出される。

【００５９】ここで本発明に適用される原理について図
８〜図１１を併せ参照して説明する。

【００６０】さて図８で前述したように、予混合圧縮着
火燃焼方式では、空燃比Ａ/Ｆが３０以下で２０以上の
濃い燃料濃度域で運転されると、着火遅れ時間が短くな
り、圧縮上死点前に着火してしまう。しかし同図８に示
すように、空燃比Ａ/Ｆが理論空燃比（約１４．３）よ
りも小さく（過濃に）なると逆に着火遅れ時間が長くな
る。この理由は図１０で説明することができる。図１０
は空燃比Ａ/Ｆと比熱比との関係を示す図である。同図
１０に示すように、空燃比Ａ/Ｆが小さくなり燃料濃度
が高くなると、混合気の比熱比が小さくなり、断熱圧縮
温度が低くなる。断熱圧縮温度が低くなると燃料が燃焼
しくくなり着火遅れ時間が長くなる。ただしこの現象が
観測されるのは、圧縮温度がおよそ６５０Ｋ以下の領域
である。この温度６５０Ｋ以上では、空燃比Ａ/Ｆが小
さい過濃領域では、空燃比Ａ/Ｆが小さくなるほど（燃
料濃度が高くなるほど）、着火遅れ時間は短くなる。こ
れについては図１１で説明することができる。図１１は
圧縮端温度と着火遅れ時間との関係を、空燃比Ａ/Ｆご
とに示す図である。圧縮端温度が６５０Ｋ以上の領域で
は、空燃比Ａ/Ｆが小さくなるほど、つまり空燃比Ａ/Ｆ
が４５、３０、２０、８と小さくなるにしたがい着火遅
れ時間が短くなっているのがわかる。

【００６１】本実施形態では、予混合にすることで断熱
圧縮温度が６５０Ｋ以下の状態にされる。これにより理
論空燃比よりも過濃な領域において空燃比Ａ/Ｆが小さ
くなるほど着火遅れ時間を長くすることができる。

【００６２】図９で斜線で示す部分は本実施形態の空燃
比Ａ/Ｆの範囲を示す。すなわち燃焼室内の混合気が、
空燃比Ａ/Ｆで８〜１０の過濃の燃料濃度域と、空燃比
Ａ/Ｆで３０以上の希薄の燃料濃度域とのいずれかの燃
料濃度域になるように燃料が噴射、供給される。図９に
斜線で示す部分でエンジン１が運転されると、過早着火
なく所望の時期に燃料を着火させ、正常に燃焼を行わせ
ることができる。

【００６３】図７はエンジン回転速度を横軸とし燃料噴
射量（トルク）を縦軸とするエンジン性能線図を示して
いる。Ｔは最大トルクを示すラインである。ラインＴ上
のＴaが定格点に相当する。

【００６４】エンジン１はラインＴ以下の領域で運転さ
れる。この領域はエンジン１にかかる負荷つまり燃料噴
射量の大きさに応じて４つの分割領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに
分割される。Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａと変化するにつれてエンジ
ン１にかかる負荷が大きくなる。分割領域Ａ、Ｂ、Ｃ、
Ｄにはそれぞれ異なる燃料噴射パターンが対応づけられ
ている。噴射パターンＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄをそれぞれ図３、
図４、図５、図６に示す。

【００６５】図３はエンジン１が高負荷時の燃焼状態を
示す図で、エンジン１の高負荷に対応する噴射パターン
Ａを示している。図４はエンジン１が中負荷時の燃焼状
態を示す図で、エンジン１の中負荷に対応する噴射パタ
ーンＢを示している。図５はエンジン１が軽負荷時の燃
焼状態を示す図で、エンジン１の軽負荷に対応する噴射
パターンＣを示している。図６はエンジン１が無負荷時
の燃焼状態を示す図で、エンジン１の無負荷に対応する
噴射パターンＤを示している。

【００６６】図３〜図６において図中左から右にいくに
つれてクランクシャフト７の角度が変化し燃焼が進行し
ていく。図３を代表して説明すると、図３−１〜図３−
３が吸気行程で、図３−３〜図３−６が圧縮行程で、図
３−６〜図３−７が膨脹行程である。図４〜図６につい
ても同様である。

【００６７】本実施形態では、エンジン負荷つまり燃料
噴射量の大きさに応じて燃料噴射パターンが変化され、
中央部燃焼室４、外周部燃焼室５への燃料充填量が変化
される。これによりエンジン負荷にかかわらずに常に着
火遅れ時間を小さくし所望の時期に着火されるように制
御される。さらに着火後の燃焼室内の急激な燃焼速度の
上昇、圧力上昇を抑制するように制御される。

【００６８】まず図３を参照して高負荷時の噴射パター
ンＡについて説明する。

【００６９】図３−１は吸気行程でピストン３が上死点
に到達している状態を示している。このときピストン３
の頭部に形成された凹部４とシリンダ２とによって、燃
焼室内の局所に、画成された領域として中央部燃焼室４
が形成される。上死点において燃料噴射ノズル１２の噴
孔は、この中央部燃焼室４に対向している。ここで燃焼
噴射ノズル１２から、エンジン１の高負荷運転に対応す
る燃料量のうち一部の燃料が噴射される。このため噴射
された燃料は中央部燃焼室４内に充填される。このとき
に噴射される燃料量は、中央部燃焼室４内で空燃比Ａ/
Ｆ８〜１０程度の過濃の予混合気が生成される量であ
る。

【００７０】すると図３−２に示すようにピストン３か
ら熱が奪われ燃料が蒸発するとともに、スワールを形成
しつつ周囲の空気が中央部燃焼室４内に流入し燃料と混
合され、中央部燃焼室４内で、空燃比Ａ/Ｆ８〜１０の
過濃かつ均一の予混合気が生成される。なお中央部燃焼
室４内の予混合気の濃度は空燃比Ａ/Ｆ８〜１０よりも
更に過濃の濃度域であってもよい。ただし過濃の程度が
大であると、従来のリッチ・リーンバーン燃焼方式と同
様に、黒煙の生成が急増するおそれがある。

【００７１】そして図３−３に示すように、中央部燃焼
室４内の予混合気が上記空燃比Ａ/Ｆ８〜１０の過濃の
濃度に保持されたまま、圧縮行程に入る。

【００７２】そして図３−４に示すように圧縮行程の上
死点前の所定の時期に、供給すべき全燃料のうち図３−
１で供給された量を差し引いた残りの燃料が燃料噴射ノ
ズル１２から噴射される。

【００７３】このため図３−５に示すように、残りの燃
料の混合気が、外周部燃焼室５内で、空燃比Ａ/Ｆ５０
以上の希薄の濃度に生成される。

【００７４】そして図３−６に示すように、圧縮行程の
上死点ないしはそれ以後に到達したときに中央部燃焼室
４内の予混合気中の燃料が着火されて燃焼が行われる。

【００７５】このように本実施形態では、予混合気を燃
焼室内の局所的な領域４で生成させるようにしているの
で、局所的な領域４内の予混合気の濃度を希薄（空燃比
Ａ/Ｆで３０〜２５）にすることなく、理論空燃比より
も過濃（空燃比Ａ/Ｆで８〜１０）にすることができ
る。このため燃料が過早着火を起こさずに圧縮上死点以
後に着火されて正常な燃焼が行われる。

【００７６】図３−７に示すように、圧縮行程から膨脹
行程に入り、ピストン３の頭部に形成された凹部４とシ
リンダ２との間に間隙が生じ中央部燃焼室４と外周部燃
焼室５とが連通すると、矢印に示すように中央部燃焼室
４内の燃焼ガスが噴き出し、外周部燃焼室５側に流入す
る。

【００７７】中央部燃焼室４内の予混合気は、燃料が過
濃であるため、燃焼が不完全燃焼となり、全熱量は開放
されない。すなわち燃焼過程でＣＯ2、Ｈ2Ｏへの完全酸
化が達成されないため、燃料の全燃焼発熱量の内およそ
１/５〜１/３程度しか発熱しない。

【００７８】予混合気の全発熱量の１/３〜１/５が燃焼
し、残りの燃焼は、予混合気が中央部燃焼室４から外周
部燃焼室５に噴き出し流入し、外周部燃焼室５の酸素が
充分にある混合気と拡散混合することでなされる。膨脹
行程でピストン３が下降していくに伴い残りの燃焼が進
行する。この残りの燃焼の過程では、ガスの混合速度等
によって燃焼速度が規定され、急激な発熱はなされな
い。

【００７９】このため着火後の燃焼速度の上昇、着火後
の燃焼室内の急激な圧力上昇が抑制される。

【００８０】さらに外周部燃焼室５の混合気は、空燃比
Ａ/Ｆ５０以上で過剰に希薄であるので、残りの燃料に
ついても過早着火を起こさずに圧縮上死点以後の所望の
時期に着火され正常な燃焼がなされる。

【００８１】以上のように本実施形態によれば高負荷に
対応する燃料量の予混合気を局所的に過濃にして着火す
るようにしている。このため予混合圧縮着火燃焼方式に
おいて低スモーク、低ＮＯxの排気性能を維持しつつ、
高負荷時でも過早着火を起こさずに圧縮上死点以後に着
火させ予混合圧縮燃焼を異常なく行わせることができ
る。さらに中央部燃焼室４の過濃の予混合気を不完全燃
焼とし、残りの燃焼を、外周部燃焼室５内の新気に拡散
混合させることで行うようにしている。このため着火後
の急激な燃焼速度の上昇、圧力上昇を抑制して、ＮＯx
生成量、騒音を低減し、エンジン１の破損を回避するこ
とができる。

【００８２】図４は中負荷時の噴射パターンＢを示して
いる。図３と異なる部分のみ説明する。

【００８３】図４−１に示すように吸気行程の上死点で
は、中負荷に相当する量の燃料が全量、燃料噴射ノズル
１２から噴射される。以後噴射ノズル１２から２回目の
燃料噴射はなされない。つまり図４−４では、図３−３
と異なり２回目の燃料噴射はなされない。

【００８４】図５は軽負荷時の噴射パターンＣを示して
いる。

【００８５】図５−１に示すように吸気行程の上死点で
は、軽負荷に相当する燃料量のうち一部の燃料が、噴射
ノズル１２から噴射される。これにより図５−２、図５
−３に示すように中央部燃焼室４内の予混合気は空燃比
Ａ/Ｆ３０〜５０程度の希薄の濃度域に保持される。

【００８６】図５−３に示すように圧縮行程前の所定時
期に、残りの量の燃料が、噴射ノズル１２から噴射され
る。これにより外周部燃焼室５内の混合気は空燃比Ａ/
Ｆ３０〜５０程度の希薄の濃度域に生成される。この結
果図５−５に示すように燃焼室の全域つまり中央部燃焼
室４と外周部燃焼室５の両方で混合気の濃度が空燃比Ａ
/Ｆ３０〜５０程度の同一の濃度にされる。つまり燃焼
室の全域に、希薄で均一の混合気が生成される。

【００８７】このように中央部燃焼室４、外周部燃焼室
５の混合気は、空燃比Ａ/Ｆ３０〜５０の希薄の濃度で
あるので、図５−６、図５−７に示すように、過早着火
を起こさずに圧縮上死点以後の所望の時期に着火され正
常な燃焼がなされる。

【００８８】図６は無負荷時の噴射パターンＤを示して
いる。この噴射パターンＤの場合には、図６−１に示す
ように図３−１、図４−１、図５−１と異なり、１回目
の燃料噴射はなされない。つまり予混合気は生成されな
い（図６−１〜図６−５参照）。そして図６−６に示す
ように圧縮行程の上死点で燃料が噴射され、図６−７に
示すように従来燃料方式により燃焼がなされる。

【００８９】以上のように本実施形態では、ピストン３
が上死点に位置しているときに燃料噴射ノズル１２から
燃料が噴射されるので、中央部燃焼室４に確実に充填さ
れる。すなわち前述した特開平９−１５８８１０号公報
と比較して燃料噴射系として高圧のものを用意しなくて
も済むという利点がある。

【００９０】また本実施形態では、過濃で均一の予混合
気が燃焼されるので、過濃燃焼時に黒煙やＮＯxの生成
量が少ない。すなわち前述したリッチ・リーンバーン燃
焼方式と異なり噴霧燃焼ではなく予混合燃焼であるの
で、黒煙の再燃焼を促進するために、ノズルを追加して
燃焼ガスと新気との混合を急速に行う必要がないという
利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は実施形態のピストンの形状を示す
断面図で、図１（ｂ）は実施形態のピストンの形状を示
す上面図である。

【図２】図２は実施形態のエンジンの構造を示す断面図
である。

【図３】図３は高負荷時に噴射パターンＡで燃料を噴射
したときの燃焼状態を示す図である。

【図４】図４は中負荷時に噴射パターンＢで燃料を噴射
したときの燃焼状態を示す図である。

【図５】図５は軽負荷時に噴射パターンＣで燃料を噴射
したときの燃焼状態を示す図である。

【図６】図６は無負荷時に噴射パターンＤで燃料を噴射
したときの燃焼状態を示す図である。

【図７】図７はエンジン性能線図と噴射パターンとの関
係を示す図である。

【図８】図８はディーゼルエンジンの燃料濃度域を示す
図である。

【図９】図９は本実施形態の燃料濃度域を示す図であ
る。

【図１０】図１０は空燃比による比熱比の変化を示す図
である。

【図１１】図１１は圧縮端温度と着火遅れ時間との関係
を示す図である。

【符号の説明】

１ エンジン ２シリンダ ３ ピストン ４ 中央部燃焼室 ５ 外周部燃焼室

───────────────────────────────────────────────────── 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 41/04 ３８５ Ｆ０２Ｄ 41/04 ３８５Ｃ Ｆターム(参考） 3G023 AA04 AA05 AB00 AB05 AB06 AC05 AD14 AG02 3G301 HA00 HA01 HA02 HA04 HA15 JA24 JA25 KA08 KA09 MA01 MA18 MA23 MA27 PA17Z PB03A PB03Z PB05A PB05Z

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの燃焼室内に空気と燃料を
   供給し、これら空気と燃料の予混合気を圧縮して、所望
   の着火時期に前記燃料を着火させて燃焼を行うエンジン
   の燃焼制御方法において、 エンジンの高負荷運転に対応する燃料量のうち一部また
   は全部の量の燃料を、前記燃焼室内に供給する燃料供給
   行程と、 前記供給された燃料の予混合気が、前記燃焼室内の局所
   的な領域内で、理論空燃比よりも過濃となるように生成
   する過濃予混合気生成行程と、 前記燃焼室内の局所的な領域に生成された予混合気の濃
   度を、前記過濃の濃度に保持した状態で、当該過濃予混
   合気内の燃料を着火させて燃焼を行う過濃燃料燃焼行程
   とを具えたことを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。
2. 【請求項２】 エンジンの燃焼室内に空気と燃料を
   供給し、これら空気と燃料の予混合気を圧縮して、所望
   の着火時期に前記燃料を着火させて燃焼を行うエンジン
   の燃焼制御方法において、 エンジンの高負荷運転に対応する燃料量のうち一部また
   は全部の量の燃料を、前記燃焼室内に供給する燃料供給
   行程と、 前記供給された燃料の予混合気が、前記燃焼室内の局所
   的な領域内で、理論空燃比よりも過濃となるように生成
   する過濃予混合気生成行程と、 前記燃焼室内の局所的な領域に生成された予混合気の濃
   度を、前記過濃の濃度に保持した状態で、当該過濃予混
   合気中の燃料を着火させて燃焼を行う過濃燃料燃焼行程
   と、 前記過濃予混合気を前記局所的な領域から当該領域外に
   開放し、前記燃焼室内の新気と拡散混合させることによ
   って、前記過濃予混合気中の未燃焼の燃料を燃焼させる
   未燃焼燃料燃焼行程とを具えたことを特徴とするエンジ
   ンの燃焼制御方法。
3. 【請求項３】 前記燃料供給行程で、エンジンの高
   負荷運転に対応する燃料量のうち一部の量の燃料が前記
   燃焼室内に供給された場合に、残りの量の燃料を、前記
   燃焼室内に供給する残量燃料供給行程と、 前記供給された燃料の混合気が、前記燃焼室のうち前記
   局所的な領域外の領域で、前記所望の着火時期に燃料が
   着火する程度に希薄となるように生成する希薄混合気生
   成行程とを、さらに具えたことを特徴とする請求項１ま
   たは２記載のエンジンの燃焼制御方法。
4. 【請求項４】 エンジンの燃焼室内に空気と燃料を
   供給し、これら空気と燃料の予混合気を圧縮して、所望
   の着火時期に前記燃料を着火させて燃焼を行うエンジン
   において、 エンジンが上死点に到達した時点で前記燃焼室内に形成
   され、燃料が供給されることによって理論空燃比よりも
   過濃の予混合気が生成される程度の大きさに局所的に画
   成された領域と、 エンジンが吸気行程で上死点に到達した時点で、エンジ
   ンの高負荷運転に対応する燃料量のうち一部または全部
   の量の燃料を、前記局所的な画成領域内に供給する燃料
   供給手段とを設け、 前記局所的な画成領域内に生成された過濃予混合気中の
   燃料を着火させて燃焼を行い、さらに膨脹行程で前記過
   濃予混合気を前記局所的な画成領域から当該画成領域外
   に開放し、前記燃焼室内の新気と拡散混合させることに
   よって、前記過濃予混合気中の未燃焼の燃料を燃焼させ
   るようにしたことを特徴とするエンジン。
5. 【請求項５】 前記燃料供給手段によって、エンジ
   ンの高負荷運転に対応する燃料量のうち一部の量の燃料
   が前記局所的な画成領域内に供給された場合に、残りの
   量の燃料を、エンジンの圧縮行程の上死点前の所定時期
   に、当該局所的な画成領域外の領域に供給し、 前記局所的な画成領域外の領域で、前記所望の着火時期
   に燃料が着火する程度に希薄となる希薄混合気を生成す
   るようにしたことを特徴とする請求項４記載のエンジ
   ン。
6. 【請求項６】 前記局所的な画成領域は、ピストン
   の頭部またはシリンダの頭部に形成された凹部であるこ
   とを特徴とする請求項４記載のエンジン。
7. 【請求項７】 前記局所的な画成領域は、ピストン
   の頭部またはシリンダの頭部に形成された凹部であり、 残りの燃料が供給される前記局所的な画成領域外の領域
   は、前記凹部の周囲であってピストンの頭部またはシリ
   ンダの頭部に形成された凹部であることを特徴とする請
   求項４記載のエンジン。
8. 【請求項８】 前記エンジンが軽負荷運転されてい
   るときには、前記燃焼室の全体領域が、前記所望の着火
   時期に燃料が着火する程度に希薄の濃度となるように燃
   料を供給する希薄燃料供給手段をさらに具えたことを特
   徴とする請求項４記載のエンジン。