JP2003090272A - ディーゼル機関の燃焼制御方法及びその装置 - Google Patents

ディーゼル機関の燃焼制御方法及びその装置

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JP2003090272A JP2001282691A JP2001282691A JP2003090272A JP 2003090272 A JP2003090272 A JP 2003090272A JP 2001282691 A JP2001282691 A JP 2001282691A JP 2001282691 A JP2001282691 A JP 2001282691A JP 2003090272 A JP2003090272 A JP 2003090272A
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謙治 新屋
Masazumi Taura
昌純 田浦
Kenji Muta
研二 牟田
Toshiaki Shigenaka
俊明 茂中
Noburo Goto
信朗 後藤
Satoru Yamada
哲 山田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 機関の低負荷域から高負荷域までの全運転域
においてＮＯｘの発生及び煤や未燃炭化水素、一酸化炭
素の発生を同時に抑制可能としたディーゼル機関の燃焼
制御方法及びその装置を提供する。 【解決手段】 給気通路に機関の燃焼室への給気温度を
調整する給気温度調整手段を備えたディーゼル機関にお
ける燃焼状態を制御するにあたり、ディーゼル機関に供
給される燃料の蒸発時間が該燃料の着火遅れ時間よりも
短くなるように前記給気温度調整手段を用いて前記給気
温度を制御することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、給気通路に機関の
燃焼室への給気の温度を調整する給気温度調整手段を備
えたディーゼル機関において該機関の燃焼状態を制御す
る燃焼制御方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼル機関では、シリンダ内に吸入
した空気を高い圧縮比で圧縮し、高温・高圧になった空
気の中に燃料を霧状にして噴射して自己着火させ、発生
する燃焼ガスの圧力によりピストンを押し動力を発生さ
せている。図８は一般的な直接噴射式４サイクルディー
ゼル機関の主要部構成図であり、図において、１はシリ
ンダ、５はピストン、０１は該シリンダ１の内部及びピ
ストン５の上面にて区画形成される燃焼室、１０は該燃
焼室０１内に燃料を噴射する燃料噴射弁、１５は燃料を
高圧化して該燃料噴射弁１０に供給する燃料噴射装置で
ある。６は給気ポート、０６は給気カム８により駆動さ
れて該給気ポート６を開閉する給気弁、７は排気ポー
ト、０７は排気カム９により駆動されて該排気ポート７
を開閉する排気弁である。
【０００３】かかるディーゼル機関において、前記給気
弁０６の開弁により、燃焼用の空気は前記給気ポート６
を通って燃焼室０１内に導入されピストン５で圧縮され
る。燃料２は燃料噴射装置１５で昇圧され燃料供給管１
３を介して燃料噴射弁１０に供給される。そしてピスト
ン５の圧縮過程で燃料噴射弁１０により前記燃料２が噴
射され燃焼室０１内にて圧縮された空気と熱交換して気
化され、空気との予混合気を形成し、自着火して燃焼す
る。 燃焼により生成された燃焼ガスは排気弁０７の開
弁により排気ポート７から排気管１１を経て外部へ排気
される。
【０００４】かかるディーゼル機関では空気の圧縮過程
において燃料噴射弁１０から高圧の燃料２を噴射し、燃
焼室０１内の空気と燃料２との相対速度の違いによるせ
ん断作用により燃料２を微粒化して燃料２の蒸発を促進
し、燃焼室０１内で断熱圧縮に近い状態で圧縮され高温
となった空気と燃料の蒸発過程で形成される蒸気との混
合気の一部が自着火し、残りの噴霧燃料の燃焼が進行す
るという、いわゆる拡散燃焼が燃焼室０１内で進行す
る。この拡散燃焼の特徴は、噴射された燃料２のコアを
中心に空間的に燃料濃度の大きな分布が形成されること
であり、この空間濃度分布により燃焼で形成される火炎
にもまた大きな温度分布が形成されることになる。これ
により当量近傍の濃度領域で形成される火炎の温度は断
熱温度近くまで上昇し、サーマルＮＯｘ（以下、ＮＯｘ
という）が生成される。一方、当量比の大きな領域、す
なわち燃料濃度の過濃な領域で形成される火炎は酸素の
欠乏により煤が生成されることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前記のように、ディー
ゼル機関の燃焼室０１内に形成される拡散火炎はその燃
焼形態に由来してＮＯｘと煤が同時に生成されることに
なる。これに対して、ＮＯｘを低減する為にＥＧＲ（排
気ガス再循環システム）を用いると、燃焼室０１内の火
炎温度を低下させることができてＮＯｘの生成は低減で
きるが、燃焼速度が遅くなるため、結果として煤や未燃
炭化水素、一酸化炭素の増大をもたらすことになる。一
方、前記煤や未燃炭化水素、一酸化炭素を低減するため
に、燃焼室０１内においてスワールやスキッシュなどの
空気流動を利用し、燃料と空気の混合を促進することに
より前記物質を低減することは可能であるが、燃焼室０
１内における混合気の濃度分布が均一化される作用によ
り、結果として燃焼が促進され火炎温度も上昇しＮＯｘ
の増大を招くことになる。
【０００６】このように、前記従来のディーゼル機関に
あっては、ＮＯｘの発生と煤や未燃炭化水素、一酸化炭
素の発生は相反する関係にあり、同時に両者を低減する
ことは難しいという問題点がある。さらに、機関の高負
荷燃焼時には負荷に応じて燃料噴射量を増加する必要が
あり、燃焼室０１内の平均的な空燃比が小さくなり当量
に近づくため、低負荷時に比べて相対的に未蒸発の燃料
や燃料蒸気濃度の濃い領域が増大する。これにより前記
従来のディーゼル機関にあっては、高負荷時には低負荷
時に比して多量の煤が生成されるというディーゼル機関
特有の問題を有している。
【０００７】本発明はかかる従来技術に鑑み、機関の低
負荷域から高負荷域までの全運転域においてＮＯｘの発
生及び煤や未燃炭化水素、一酸化炭素の発生を同時に抑
制可能としたディーゼル機関の燃焼制御方法及びその装
置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するため、請求項１記載の発明として、給気通路に機
関の燃焼室への給気温度を調整する給気温度調整手段を
備えたディーゼル機関における燃焼状態を制御するディ
ーゼル機関の燃焼制御方法において、前記ディーゼル機
関に供給される燃料の蒸発時間が該燃料の着火遅れ時間
よりも短くなるように前記給気温度調整手段を用いて前
記給気温度を制御することを特徴とするディーゼル機関
の燃焼制御方法を提案する。
【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１の発明の
具体的方法に係り、請求項１において、前記ディーゼル
機関の給気温度を検出する給気温度検出器を設け、燃料
の蒸発時間が該燃料の着火遅れ時間よりも短くなるよう
な給気温度の目標値を算出し、該給気温度の目標値と前
記給気温度検出器からの給気温度の検出値とにより前記
ディーゼル機関の給気温度が前記給気温度の目標値にな
るような給気温度の制御量を算出し、該給気温度の制御
量を前記給気温度調整手段に入力するフィードバック制
御により前記給気温度を前記目標値に制御することを特
徴とする。
【００１０】請求項３記載の発明は請求項２において、
前記給気温度調整手段として、排気ガスにより給気を加
熱する熱交換器と該熱交換器をバイパスするバイパス空
気量を調整する空気バイパス弁を設け、前記機関の給気
温度が前記給気温度の目標値になるように前記空気バイ
パス弁の開度を調整することを特徴とする。
【００１１】請求項４記載の発明は請求項３において、
前記給気温度調整手段として、排気ガスの一部を給気通
路に還流する排気還流管及び該排気還流管を還流する排
気還流量調整する排気バイパス弁を設け、前記機関の給
気温度が前記給気温度の目標値になるように前記空気バ
イパス弁の開度及び排気バイパス弁の開度を調整するこ
とを特徴とする。
【００１２】請求項６ないし７記載の発明は、請求項１
ないし４の発明を実施する装置の発明であり、請求項６
記載の発明は、給気通路に機関の燃焼室への給気温度を
調整する給気温度調整手段を備えたディーゼル機関にお
ける燃焼状態を制御するディーゼル機関の燃焼制御装置
において、前記給気温度を検出する給気温度検出器と、
前記ディーゼル機関に供給される燃料の蒸発時間を設定
する燃料蒸発時間設定手段及び前記燃料の着火遅れ時間
を設定する着火遅れ時間設定手段と、前記燃料蒸発時間
設定手段における設定値及び着火遅れ時間設定手段にお
ける設定値に基づき燃料の蒸発時間が燃料の着火遅れ時
間よりも短くなるような給気温度の目標値を算出する目
標給気温度算出手段と、該給気温度の目標値と前記給気
温度検出器からの給気温度の検出値とにより前記ディー
ゼル機関の給気温度が前記給気温度の目標値になるよう
な給気温度の制御量を算出し該給気温度の制御量を前記
給気温度調整手段に入力する給気温度制御量算出手段と
を備えてなることを特徴とする。
【００１３】請求項７記載の発明は、請求項６におい
て、前記給気温度調整手段は排気ガスにより給気を加熱
する熱交換器と該熱交換器をバイパスするバイパス空気
量を調整する空気バイパス弁と排気ガスの一部を給気通
路に還流する排気還流管を通流する排気還流量を調整す
る排気バイパス弁とよりなり、前記給気温度制御量算出
手段からの該給気温度の制御量に基づき前記機関の給気
温度が前記給気温度の目標値になるように前記空気バイ
パス弁の開度及び前記排気バイパス弁の開度を調整する
ように構成したことを特徴とする。
【００１４】請求項１ないし４の発明及び請求項６ない
し７の発明によれば、燃料の蒸発時間が燃料の着火遅れ
時間よりも短くなるような給気温度の目標値を算出し、
該給気温度の目標値と給気温度検出器からの給気温度の
検出値とにより機関の給気温度が前記給気温度の目標値
になるような給気温度の制御量を算出し、該給気温度の
制御量に基づき前記給気温度調整手段を構成する空気バ
イパス弁あるいは排気バイパス弁の開度を制御すること
により、給気温度を常時給気温度の目標値に保持するこ
とができる。
【００１５】従ってかかる発明によれば、前記給気温度
を常時給気温度の目標値に保持することにより、燃料の
着火遅れ時間を遅延させ燃料の蒸発時間を短縮すること
によって、前記着火遅れ時間に対して蒸発時間を相対的
に低下させた領域を形成し、これを燃料の蒸発に利用す
ることにより燃料と空気（給気）との混合を促進させ、
予混合圧縮着火ディーゼル機関を実現でき、かかる予混
合圧縮着火ディーゼル機関の実現により、ＮＯｘと煤の
同時低減を行うことができる。これにより、機関の低負
荷域から高負荷域までの全運転域においてＮＯｘの発生
及び煤や未燃炭化水素、一酸化炭素の発生を同時に抑制
することが可能となる。
【００１６】また請求項５記載の発明は、給気通路に機
関の燃焼室への給気温度を調整する給気温度調整手段を
備えたディーゼル機関における燃焼状態を制御するディ
ーゼル機関の燃焼制御方法において、前記機関の燃料噴
射弁へ気体燃料を供給することにより燃料の蒸発時間を
不要として燃料の着火遅れ時間内に前記気体燃料と給気
とが混合するように前記給気温度調整手段を用いて前記
給気温度を制御することを特徴とする。
【００１７】請求項８記載の発明は、請求項５の発明を
実施する装置の発明であり、給気通路に機関の燃焼室へ
の給気温度を調整する給気温度調整手段を備えたディー
ゼル機関における燃焼状態を制御するディーゼル機関の
燃焼制御装置において、液体燃料を気体燃料に改質する
燃料改質手段と、前記気体燃料の着火遅れ時間内に該気
体燃料と給気とが混合するように前記給気温度調整手段
に給気温度を調整させる給気制御装置とを備えてなるこ
とを特徴とする。
【００１８】請求項５記載の発明及び請求項８の発明に
よれば、燃料は燃料供給管１３に設けられた燃料改質手
段により所定の温度に加熱されて気体燃料へ改質され、
燃料噴射弁から燃焼室内に噴射される。従ってかかる発
明によれば、燃料供給系に燃料改質手段を付設し、該燃
料改質手段により軽油などの液体燃料を気体燃料に改質
して、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射することにより、
燃料の蒸発時間が不要となり、燃料と空気とは着火遅れ
時間の間に混合が完結し、ＮＯｘの発生及び煤の発生が
抑制された予混合ディーゼルが実現される。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
ている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置など
は特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれ
のみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎな
い。
【００２０】図１は本発明の第１実施例に係る４サイク
ルディーゼル機関の燃焼制御装置の構成図、図２は前記
燃焼制御装置の制御ブロック図である。図３はノルマル
ヘプタンの着火遅れと温度の関係線図、図４はセタンの
着火遅れと温度の関係線図である。図５は燃焼室内の圧
縮前温度と圧縮温度及び圧縮比との関係線図、図６は燃
焼室内の温度と着火遅れ時間及び燃料蒸発時間との関係
線図である。図７は第２実施例を示す図１対応図であ
る。
【００２１】第１実施例を示す図１において、１はシリ
ンダ、５はピストン、０１は該シリンダ１の内部及びピ
ストン５の上面にて区画形成される燃焼室である。１０
は該燃焼室０１内に燃料を噴射する燃料噴射弁、１５は
燃料を高圧化し燃料供給管１３を介して該燃料噴射弁１
０に供給する燃料噴射装置である。１４は該燃料供給管
１３に設けられた燃料流量検出器で、前記燃料噴射装置
１５から燃料噴射弁１０に供給される燃料流量つまり燃
料噴射量を検出して後述するバルブ制御装置１６に入力
するものである。６は給気ポート、０６は給気カム８に
より駆動されて該給気ポート６を開閉する給気弁、７は
排気ポート、０７は排気カム９により駆動されて該排気
ポート７を開閉する排気弁である。１７はターボチャー
ジャで、前記排気ポート７から排気管１１を通って導入
される排気ガスによって駆動されるタービン及び該ター
ビンと同軸の空気圧縮用のコンプレッサよりなる公知の
ものである。
【００２２】０１９は前記ターボチャージャ１７のコン
プレッサ入口に接続される空気入口管、２０は前記コン
プレッサ出口と前記給気ポート６とを接続する空気供給
管である。１９は前記ターボチャージャ１７のタービン
出口の排気管１１から分岐されて前記空気入口管０１９
に接続される排気還流管である。１８は排気バイパス弁
で、後述するバルブ制御装置１６からの制御信号により
前記排気還流管１９の流路面積を調整するものである。
１２は前記空気供給管２２の管路に設けられた熱交換器
で、前記ターボチャージャ１７のタービン出口の排気管
１１を通流する排気ガスと前記空気供給管２２を通流す
る空気とを熱交換して該空気を加熱するものである。２
０は前記空気供給管２２の前記熱交換器１２の入口と出
口との間をバイパスする空気バイパス管である。２１は
空気バイパス弁で、後述するバルブ制御装置１６からの
制御信号により前記空気バイパス管２０の流路面積を調
整するものである。
【００２３】３０は前記ディーゼル機関のクランク軸の
回転数を検出するエンジン回転数検出器、２３は前記給
気ポートにおける給気温度つまり燃焼室０１内における
空気の圧縮前温度を検出する給気温度検出器である。１
６はバルブ制御装置で、前記給気温度検出器２３からの
給気温度（つまり前記圧縮前温度）の検出信号及び前記
エンジン回転数検出器３０からのクランク軸回転数の検
出信号が入力され、これらの検出信号及び各種設定値に
基づき後述する演算を行い、その制御信号を前記排気バ
イパス弁１８及び空気バイパス弁２１に出力するもので
ある。
【００２４】かかる構成からなる４サイクルディーゼル
機関の燃焼制御装置において、前記ターボチャージャ１
７で加圧された空気は、前記熱交換器１２において前記
ターボチャージャ１７のタービン出口の排気ガスと熱交
換して加熱（予熱）され、空気供給管２２及び吸気ポー
ト６を通って燃焼室０１内に導入され、ピストン５によ
り圧縮される。この圧縮過程の終了近傍で前記燃料噴射
弁１０から高圧の燃料が前記空気中に噴射される。噴射
された燃料２は燃焼室０１内で圧縮された空気と熱交換
して気化され、空気との予混合気を形成し、自着火燃焼
する。
【００２５】燃焼ガス４は排気ポート７から排気管１１
を通ってターボチャージャ１７へ導かれてタービンを駆
動する。前記空気入口管０１９からの空気は該タービン
と同軸のコンプレッサにより加圧されて前記熱交換器１
２あるいは空気バイパス管２０に送られる。一方、前記
ターボチャージャ１７で仕事をした排気ガスの一部は排
気還流管１９に入り前記排気バイパス弁１８を介してタ
ーボチャージャ１７上流の空気入口管０１９に還流され
て空気と混合せしめられる。残りの排ガスは前記熱交換
器１２にて前記ターボチャージャ１７から送出された空
気と熱交換された後、排気管１１を通って大気に放出さ
れる。
【００２６】前記ターボチャージャで昇圧された空気の
一部は空気バイパス弁２１を介して前記熱交換器１２下
流の空気供給管２２へ導かれる。残りの空気は前記のよ
うに熱交換器１２へ導かれ、排気ガスと熱交換して昇温
せしめられた後、空気供給管２２から吸気ポート６を通
って燃焼室０１へ導入され、前記のように燃焼に供され
る。
【００２７】前記燃焼室０１内に供給される空気の温度
即ち給気温度は給気温度検出器２３により検出され、そ
の検出信号は前記バルブ制御装置１６に入力され、また
前記エンジン回転数検出器３０にて検出されたクランク
軸回転数の検出信号及び前記燃料流量検出器１４で検出
された燃料噴射弁１０に供給される燃料流量つまり燃料
噴射量も前記バルブ制御装置１６に入力される。該バル
ブ制御装置１６においては、後述するような演算、制御
を行い、前記給気温度がエンジン回転数、燃料噴射量に
応じて決まる所定の給気温度つまり目標給気温度になる
ように前記空気バイパス弁２１及び排気バイパス弁１８
の開度をフィードバック制御する。
【００２８】次に前記バルブ制御装置１６における動作
を図２に基づき説明する。かかるバルブ制御装置１６に
おいて、４１は燃料蒸発時間設定部で、図６に示される
ような、ディーゼル機関に供給される燃料の蒸発時間Ｚ
ｖと給気温度との関係が設定されている。４２は燃料着
火遅れ設定部で、図６に示されるような、ディーゼル機
関に供給される燃料の着火遅れ時間Ｚｉと給気温度との
関係が設定されている。また４３は燃焼室０１内におけ
るガス（混合気）の当量比が設定された当量比設定部、
４４は機関の圧縮比が設定された圧縮比設定部である。
【００２９】前記燃料蒸発時間設定部４１からの燃料の
蒸発時間Ｚｖの設定信号、及び前記燃料着火遅れ設定部
４２からの燃料の着火遅れ時間Ｚｉの設定信号は目標給
気温度算出部４５に入力される。また、前記当量比設定
部４３からの当量比の設定信号及び圧縮比設定部４４か
らの圧縮比設定信号も前記目標給気温度算出部４５に入
力される。ここで、ディーゼル機関に供給される軽油系
燃料（前記セタンが主成分）においては、前記燃料の蒸
発時間Ｚｖ及び燃料の着火遅れ時間Ｚｉは、図６に示さ
れるように、燃焼室０１内における着火前のガス温度つ
まり圧縮前の温度によって大きく変化し、圧縮前の温度
の上昇に従い即ち給気温度の上昇に従い概ね短くなる。
また、図５に示されるように、燃焼室０１内における圧
縮温度は圧縮比によっても変化する。
【００３０】前記目標給気温度算出部４５においては、
前記燃料蒸発時間設定部４１における燃料蒸発時間の設
定値及び着火遅れ時間設定部４２における燃料着火遅れ
時間の設定値に前記当量比の設定信号及び圧縮比の設定
信号を盛り込み、燃料の蒸発時間Ｚｖが燃料の着火遅れ
時間Ｚｉよりも短くなるようなつまりＺｉ＞Ｚｖとなる
ような給気温度の目標値Ｔ０ｍを算出する。該給気温度
の目標値Ｔ０ｍは給気温度制御量算出部４６に入力され
る。
【００３１】給気温度制御量算出部４６においては、前
記給気温度の目標値Ｔ０ｍと前記給気温度検出器からの
給気温度の検出値Ｔ０ａとの偏差（Ｔ０ｍ−Ｔ０ａ）を
算出して該偏差（Ｔ０ｍ−Ｔ０ａ）に基づき機関の給気
温度Ｔ０が前記給気温度の目標値Ｔ０ｍになるような給
気温度の制御量ΔＴ０を算出し、給気温度の制御量ΔＴ
０を空気バイパス弁開度制御部４９及び排気バイパス弁
開度制御部５０に入力する。
【００３２】前記空気バイパス弁開度制御部４９におい
ては、前記給気温度の制御量ΔＴ０ を前記燃料流量検出
器１４からの燃料流量（つまり燃料噴射量）の検出信号
及びエンジン回転数検出器３０からの機関回転数（クラ
ンク軸回転数）の検出信号により補正して機関の給気温
度Ｔ０が前記給気温度の目標値Ｔ０ｍになるような前記
空気バイパス弁２１の開度の開度を算出して該空気バイ
パス弁２１に出力する。また前記排気バイパス弁開度制
御部５０においては、前記給気温度の制御量ΔＴ０を前
記燃料流量検出器１４からの燃料流量の検出信号及びエ
ンジン回転数検出器３０からの機関回転数の検出信号に
より補正して機関の給気温度Ｔ０が前記給気温度の目標
値Ｔ０ｍになるような前記排気バイパス弁１８の開度の
開度を算出して該排気バイパス弁１８に出力する。
【００３３】前記空気バイパス弁２１は前記熱交換器１
２をバイパスする給気量（空気量）を、前記給気温度Ｔ
０が前記給気温度の目標値Ｔ０ｍになるように調整す
る。また前記排気バイパス弁１８は排気還流管１９を空
気入口管０１９側に還流される排気ガス量を、前記給気
温度Ｔ０が前記給気温度の目標値Ｔ０ｍになるように調
整する。これにより、給気温度Ｔ０は常時給気温度の目
標値Ｔ０ｍに保持される。
【００３４】しかして、従来のディーゼル機関では、前
記のように、燃焼室０１内で燃料噴霧の拡散燃焼を行わ
せるため、燃料濃度の空間分布が生じ、ＮＯｘと煤の同
時低減は困難であり、またこれらの排出レベルも高い。
これに対しては、燃焼室０１内で着火が起こるまでに噴
射した燃料を蒸発させ、空気との予混合気を形成させ
る、いわゆる予混合燃焼を行わせることによりＮＯｘと
煤の同時低減が可能となる。しかも、ディーゼル機関
は、高い圧縮比を設定することができるため、圧縮時の
温度及び圧力が高く、ガソリン機関などに比べて、当量
比の小さい領域即ち燃料希薄の状態でも自着火が実現で
きる。この燃料希薄条件と予混合燃焼を組み合わせた希
薄予混合燃焼を実現することにより、ＮＯｘと煤を同時
に、しかも非常に低いレベルまで排出を抑えることがで
きる。
【００３５】これを実現するためには噴射した燃料を完
全に蒸発させる必要がある。燃料の蒸発に利用できる時
間は燃料噴射完了から着火遅れの後、熱炎が発生するま
での時間であり、着火遅れ時間Ｚｉに対して燃料の蒸発
時間Ｚｖを相対的に短くできれば蒸発を完結することが
できる。即ち、燃料の着火遅れ時間Ｚｉを遅延させ、燃
料の蒸発時間Ｚｖを短縮することによって前記のような
予混合気の形成を促進することができる。ここで、前記
着火遅れ時間Ｚｉは燃料の種類、温度、圧力、当量比の
関数として決まるが、ガソリン、軽油などの高炭化水素
では温度に関して負の温度依存性を示す。即ち、ある温
度領域では、温度上昇とともに反応が緩慢になり着火遅
れ時間Ｚ ｉが遅延する現象がある。従って、圧縮行程中
にこの温度域を燃焼室０１内に形成することにより着火
遅れ時間Ｚｉが遅延され、噴射された燃料の蒸発に利用
できる時間を伸ばすことができ、予混合気の形成を促進
することが可能となる。
【００３６】圧縮行程での燃焼室０１内の圧縮温度Ｔ
は、ポリトロープ圧縮の式より、 Ｔ＝Ｔ０１・ε（ｎ−１） となり、ここでＴは圧縮後温度（Ｋ）、Ｔ０１は圧縮前
温度（Ｋ）、εは圧縮比、ｎはポリトロープ指数であ
る。即ち、圧縮比ε、ポリトロープ指数ｎ、圧縮前温度
Ｔ０１をそれぞれ独立に変化させることにより、圧縮行
程中の温度を任意に設定することができる。圧縮比εは
機関の基本構造で決まり、運転中にこれを任意に変更す
るためには追加的な圧縮機構を追設することを要し、複
雑な機構が必要になる。ポリトロープ指数ｎは被圧縮ガ
スの熱物性とシリンダ壁からの放熱損失で決まり、ほぼ
機関の固有値であり変更できる余地は大きくない。
【００３７】そこで本発明においては、前記のように、
給気ポート６における給気温度Ｔ０を給気温度検出器２
３により常時検出してバルブ制御装置１６に入力し、該
バルブ制御装置１６によって燃焼室０１内における圧縮
時の温度が上述の負の温度領域つまり燃料の蒸発時間Ｚ
ｖが該燃料の着火遅れ時間Ｚｉよりも短くなる（Ｚｉ＞
Ｚｖ）になるような圧縮前温度即ち給気温度Ｔ０のフィ
ードバック制御を行っている。
【００３８】ここで、図３はガソリン機関に適用される
ノルマルへプタンのガス温度Ｔに対する着火遅れ時間Ｚ
ｉの関係を示し、図３はディーゼル機関に適用されるセ
タンのガス温度Ｔに対する着火遅れ時間Ｚｉの関係を示
す。図３に示すノルマルへプタンにおいては、１０００
／Ｔ＝１．１ないし１．３の領域、すなわち７７０Ｋか
ら９００Ｋの温度範囲において温度Ｔの上昇とともに着
火遅れ時間Ｚｉが遅延する領域がある。図４に示す軽油
の主成分であるセタンにおいては、ノルマルへプタンと
ほぼ同じ領域、すなわち７７０Ｋから９００Ｋの温度範
囲において温度Ｔの上昇とともに着火遅れ時間が遅延す
る領域がある。尚、図３〜４においてＰはシリンダ内圧
力（ｂａｒ）、φは当量比である。
【００３９】そこで本発明においては着火前の燃焼室０
１内の温度が前記温度領域（７７０Ｋから９００Ｋ）に
なるように圧縮前の初期温度つまり給気温度Ｔ０を制御
する。図５は前記ポリトロープ指数ｎ＝１．２５におい
て、圧縮比ε、圧縮前温度Ｔ ０１と圧縮温度Ｔ２の関係
を示した図である。図５において、圧縮前温度Ｔ０１を
変えることにより圧縮温度Ｔ２を６００Ｋから９００の
温度範囲で制御でき、この温度範囲は上述のような負の
温度領域Ｓつまり燃料の蒸発時間Ｚｖが該燃料の着火遅
れ時間Ｚｉよりも短くなる（Ｚｉ＞Ｚｖ）になるような
温度領域を内包することができる。
【００４０】図６は燃焼室０１内に噴射された燃料の蒸
発時間Ｚｖと着火遅れ時間Ｚｉの温度Ｔに対する相対的
な比較図である。図６に示されるように、燃料の蒸発時
間Ｚ ｖは、温度Ｔの上昇とともに燃料への熱の移動量が
増加するため単調に減少する。一方、着火遅れ時間Ｚｉ
は前記負の温度依存領域Ｓにおいて蒸発時間Ｚｖよりも
長くなる。従って、前記蒸発時間Ｚｖの絶対値を、高圧
力噴射による燃料噴霧の平均粒径を微粒化、あるいは燃
料の予熱による圧縮前温度（初期温度）Ｔ０１の上昇な
どにより、着火遅れ時間Ｚｉに対して相対的に短くする
ことにより、図６に示すように前記Ｚｉ＞Ｚｖとなる温
度範囲が前記負の温度領域Ｓの中に実現できる。
【００４１】このように、本発明によれば、前記着火遅
れ時間Ｚｉに対して蒸発時間Ｚｖを相対的に低下させた
領域Ｓを形成し、これを燃料の蒸発に利用することによ
り燃料と空気（給気）との混合を促進させ、予混合圧縮
着火ディーゼルを実現でき、かかる予混合圧縮着火ディ
ーゼルの実現により、ＮＯｘと煤の同時低減が可能とな
る。
【００４２】前記負の温度領域Ｓは機関の操作条件であ
る当量比及び圧縮比によりその温度領域が変化する。ま
た使用する燃料の種類によってもその温度領域が異な
る。従って本発明においては、前記当量比、圧縮比及び
燃料の種類により負の温度領域Ｓを算出し、図４の関係
から圧縮前温度Ｔ０１を算出してこれを制御目標値即ち
給気温度の目標値Ｔ０ｍとして設定し、前記のような図
２に基づく方法で給気温度が前記目標値Ｔ０ｍになるよ
うフィードバック制御することにより負の温度領域Ｓを
実現できる。前記負の温度領域Ｓの計算は素反応速度論
に基づく化学動力学計算で計算することができる。ま
た、化学動力学計算に依らない手段としては、当量比、
圧力、燃料種をパラメータとして取得された、負の温度
領域Ｓが発現する実験データに基づく方法がある。
【００４３】従って、かかる実施例によれば、燃料の蒸
発時間Ｚｖが該燃料の着火遅れ時間Ｚｉよりも短くなる
ような給気温度の目標値Ｔ０ｍを算出し、該給気温度の
目標値Ｔ０ｍと給気温度検出器からの給気温度の検出値
Ｔ１とにより機関の給気温度が前記給気温度Ｔ０ｍの目
標値になるような給気温度の制御量を算出し、該給気温
度の制御量に基づき前記給気温度調整手段を構成する空
気バイパス弁２１及び排気バイパス弁１８の開度を制御
することにより、給気温度Ｔ０を常時給気温度の目標値
Ｔ０ｍに保持することができる。
【００４４】従って、前記給気温度Ｔ０を常時給気温度
の目標値Ｔ０ｍに保持することにより、燃料の着火遅れ
時間Ｚｉを遅延させ燃料の蒸発時間Ｚｖを短縮すること
によって、前記着火遅れ時間Ｚｉに対して蒸発時間Ｚｖ
を相対的に低下させた領域Ｓを形成し、これを燃料の蒸
発に利用することにより燃料と空気（給気）との混合を
促進させ、予混合圧縮着火ディーゼルを実現でき、かか
る予混合圧縮着火ディーゼルの実現により、ＮＯｘと煤
の同時低減を行うことができる。機関の低負荷域から高
負荷域までの全運転域においてＮＯｘの発生及び煤や未
燃炭化水素、一酸化炭素の発生を同時に抑制することが
可能となる。
【００４５】図７に示す第２実施例においては、燃料供
給管１３の燃料噴射装置１５と燃料噴射弁１０との間に
燃料改質触媒装置３１が設けられている。該燃料改質触
媒装置３１は、燃料を排ガスとの熱交換により所定の温
度に加熱することにより気体燃料へ改質して、燃料噴射
弁１０から燃焼室０１内に噴射するようになっている。
燃料改質触媒としては、Ａｌ２Ｏ３ ＳｉＯ２ ＴｉＯ
２等の担体の上に、Ｎｉなどの遷移金属、または、Ｒｕ
などの貴金属を担持させたものを用い、軽油などの部分
酸化反応により、炭素数の少ない炭化水素を生成し、ま
たは、水蒸気改質反応により、ＣＯ、水素などを生成す
ることができる。前記触媒を燃料改質触媒装置３１に充
填するか、または、金属配管の内部にコーティングする
か、または、Ｎｉなどを含む合金で金属配管を製作する
ことも可能である。その他の構成は前記第１実施例と同
様であり、これと同一の部材は同一の記号で示す。
【００４６】かかる第２実施例において、燃料は燃料噴
射装置１５で昇圧され、燃料供給管１３に設けられた燃
料改質触媒装置３１により、燃料を排気ガスとの熱交換
により所定の温度に加熱して気体燃料へ改質し、燃料噴
射弁１０から燃焼室０１内に噴射する。かかる第２実施
例によれば、前記第１実施例にさらに燃料供給系に燃料
改質触媒装置３１を付設し、該燃料改質触媒装置３１に
より軽油などの液体燃料を気体燃料に改質して、燃料噴
射弁１０から燃焼室０１内に噴射することにより、燃料
の蒸発時間Ｚｖが不要となり、燃料と空気とは着火遅れ
時間Ｚｉの間に混合が完結し、予混合ディーゼルが実現
される。燃料改質触媒としては、Ａｌ２Ｏ３ ＳｉＯ２
ＴｉＯ２等の担体の上に、Ｎｉなどの遷移金属、また
は、Ｒｕなどの貴金属を担持させたもので、軽油などの
部分酸化反応により、炭素数の少ない炭化水素を生成
し、または、水蒸気改質反応により、ＣＯ、水素などを
生成することができる。上記触媒を改質装置に充填する
か、または、金属配管の内部にコーティングするか、ま
たは、Ｎｉなどを含む合金で金属配管を製作することも
可能である。
【００４７】
【発明の効果】以上記載のごとく、請求項１ないし４記
載の発明及び請求項６ないし７の発明によれば、燃料の
蒸発時間が燃料の着火遅れ時間よりも短くなるような給
気温度の目標値なるような給気温度の制御量を算出し、
該給気温度の制御量に基づき前記給気温度調整手段を構
成する空気バイパス弁あるいは排気バイパス弁の開度を
制御することにより、給気温度を常時給気温度の目標値
に保持することができ、これにより、燃料の着火遅れ時
間を遅延させ燃料の蒸発時間を短縮することによって、
前記着火遅れ時間に対して蒸発時間を相対的に低下させ
た領域を形成し、これを燃料の蒸発に利用することによ
り燃料と空気（給気）との混合を促進させ、予混合圧縮
着火ディーゼル機関を実現できる。かかる予混合圧縮着
火ディーゼル機関の実現により、ＮＯｘと煤の同時低減
を行うことができ、機関の低負荷域から高負荷域までの
全運転域においてＮＯｘの発生及び煤や未燃炭化水素、
一酸化炭素の発生を同時に抑制することが可能となる。
【００４８】また請求項５記載の発明及び請求項８記載
の発明によれば、燃料供給系に燃料改質手段を付設し、
該燃料改質手段により軽油などの液体燃料を気体燃料に
改質して、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射することによ
り、燃料の蒸発時間が不要となり、燃料と空気とは着火
遅れ時間の間に混合が完結し、ＮＯｘの発生及び煤の発
生が抑制された予混合ディーゼルが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係る４サイクルディー
ゼル機関の燃焼制御装置の構成図である。
【図２】 前記燃焼制御装置の制御ブロック図である。
【図３】 ノルマルヘプタンの着火遅れと温度の関係線
図である。
【図４】 セタンの着火遅れと温度の関係線図である。
【図５】 燃焼室内の圧縮前温度と圧縮温度及び圧縮比
との関係線図である。
【図６】 燃焼室内の温度と着火遅れ時間及び燃料蒸発
時間との関係線図である。
【図７】 第２実施例を示す図１対応図である。
【図８】 従来技術を示す図１対応図である。
【符号の説明】
１ シリンダ ０１ 燃焼室 ５ ピストン ６ 給気ポート ０６ 給気弁 ７ 排気ポート ０７ 排気弁 １０ 燃料噴射弁 １２ 熱交換器 １４ 燃料流量検出器 １６ バルブ制御装置 １７ ターボチャージャ １８ 排気バイパス弁 １９ 排気還流管 ２０ 空気バイパス管 ２１ 空気バイパス弁 ２２ 空気供給管 ２３ 給気温度検出器 ４５ 目標給気温度算出部 ４６ 給気温度制御量算出部 ４９ 空気バイパス弁開度制御部 ５０ 排気バイパス弁開度制御部
───────────────────────────────────────────────────── 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 41/02 ３８０ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３８０Ｅ 41/04 ３６５ 41/04 ３６５ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｌ ３０１Ｎ 45/00 ３２０ 45/00 ３２０Ｚ ３６０ ３６０Ｆ Ｆ０２Ｍ 31/08 ３０１ Ｆ０２Ｍ 31/08 ３０１Ｂ (72)発明者 牟田 研二 横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重 工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 茂中 俊明 横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重 工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 後藤 信朗 横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重 工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 山田 哲 横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重 工業株式会社基盤技術研究所内 Ｆターム(参考） 3G084 AA01 AA05 BA06 BA11 BA20 BA26 DA10 EB12 FA02 FA13 FA33 3G092 AA02 AB06 DC04 DC08 DE15S EC01 FA17 FA18 HA04X HB01Z HE01Z 3G301 HA02 HA13 HA22 JA24 JA25 JA26 LA00 LA04 LB11 ND02 PA10A PB03Z PE01Z

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 給気通路に機関の燃焼室への給気温度を
    調整する給気温度調整手段を備えたディーゼル機関にお
    ける燃焼状態を制御するディーゼル機関の燃焼制御方法
    において、前記ディーゼル機関に供給される燃料の蒸発
    時間が該燃料の着火遅れ時間よりも短くなるように前記
    給気温度調整手段を用いて前記給気温度を制御すること
    を特徴とするディーゼル機関の燃焼制御方法。
  2. 【請求項２】 前記ディーゼル機関の給気温度を検出す
    る給気温度検出器を設け、燃料の蒸発時間が該燃料の着
    火遅れ時間よりも短くなるような給気温度の目標値を算
    出し、該給気温度の目標値と前記給気温度検出器からの
    給気温度の検出値とにより前記ディーゼル機関の給気温
    度が前記給気温度の目標値になるような給気温度の制御
    量を算出し、該給気温度の制御量を前記給気温度調整手
    段に入力するフィードバック制御により前記給気温度を
    前記目標値に制御することを特徴とする請求項１記載の
    ディーゼル機関の燃焼制御方法。
  3. 【請求項３】 前記給気温度調整手段として、排気ガス
    により給気を加熱する熱交換器と該熱交換器をバイパス
    するバイパス空気量を調整する空気バイパス弁を設け、
    前記機関の給気温度が前記給気温度の目標値になるよう
    に前記空気バイパス弁の開度を調整することを特徴とす
    る請求項２記載のディーゼル機関の燃焼制御方法。
  4. 【請求項４】 前記給気温度調整手段として、排気ガス
    の一部を給気通路に還流する排気還流管及び該排気還流
    管を還流する排気還流量調整する排気バイパス弁を設
    け、前記機関の給気温度が前記給気温度の目標値になる
    ように前記空気バイパス弁の開度及び排気バイパス弁の
    開度を調整することを特徴とする請求項３記載のディー
    ゼル機関の燃焼制御方法。
  5. 【請求項５】 給気通路に機関の燃焼室への給気温度を
    調整する給気温度調整手段を備えたディーゼル機関にお
    ける燃焼状態を制御するディーゼル機関の燃焼制御方法
    において、前記機関の燃料噴射弁へ気体燃料を供給する
    ことにより燃料の蒸発時間を不要として燃料の着火遅れ
    時間内に前記気体燃料と給気とが混合するように前記給
    気温度調整手段を用いて前記給気温度を制御することを
    特徴とするディーゼル機関の燃焼制御方法。
  6. 【請求項６】 給気通路に機関の燃焼室への給気温度を
    調整する給気温度調整手段を備えたディーゼル機関にお
    ける燃焼状態を制御するディーゼル機関の燃焼制御装置
    において、前記給気温度を検出する給気温度検出器と、
    前記ディーゼル機関に供給される燃料の蒸発時間を設定
    する燃料蒸発時間設定手段及び前記燃料の着火遅れ時間
    を設定する着火遅れ時間設定手段と、前記燃料蒸発時間
    設定手段における設定値及び着火遅れ時間設定手段にお
    ける設定値に基づき燃料の蒸発時間が燃料の着火遅れ時
    間よりも短くなるような給気温度の目標値を算出する目
    標給気温度算出手段と、該給気温度の目標値と前記給気
    温度検出器からの給気温度の検出値とにより前記ディー
    ゼル機関の給気温度が前記給気温度の目標値になるよう
    な給気温度の制御量を算出し該給気温度の制御量を前記
    給気温度調整手段に入力する給気温度制御量算出手段と
    を備えてなることを特徴とするディーゼル機関の燃焼制
    御装置。
  7. 【請求項７】 前記給気温度調整手段は排気ガスにより
    給気を加熱する熱交換器と該熱交換器をバイパスするバ
    イパス空気量を調整する空気バイパス弁と排気ガスの一
    部を給気通路に還流する排気還流管を通流する排気還流
    量を調整する排気バイパス弁とよりなり、前記給気温度
    制御量算出手段からの該給気温度の制御量に基づき前記
    機関の給気温度が前記給気温度の目標値になるように前
    記空気バイパス弁の開度及び前記排気バイパス弁の開度
    を調整するように構成したことを特徴とする請求項６記
    載のディーゼル機関の燃焼制御装置。
  8. 【請求項８】 給気通路に機関の燃焼室への給気温度を
    調整する給気温度調整手段を備えたディーゼル機関にお
    ける燃焼状態を制御するディーゼル機関の燃焼制御装置
    において、液体燃料を気体燃料に改質する燃料改質手段
    と、前記気体燃料の着火遅れ時間内に該気体燃料と給気
    とが混合するように前記給気温度調整手段に給気温度を
    調整させる給気制御装置とを備えてなることを特徴とす
    るディーゼル機関の燃焼制御装置。
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