JP2004076736A - 圧縮自己着火内燃機関とその燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

　　【課題】　圧縮自己着火燃焼において、燃費と騒音及び排気中のＮOxやスモークを低減する。ノッキングを抑制する。
　　【解決手段】　ピストンにキャビティのある燃焼室に燃料を供給し、燃焼室の燃料を圧縮して自己着火させる内燃機関において、燃料は、それ自体のみでは圧縮自己着火が不可能な低セタン価燃料と、それ自体のみで圧縮自己着火が可能な高セタン価燃料である。燃焼制御方法は、低負荷側運転領域では、低セタン価燃料を燃焼室の全域に分布させると共に、高セタン価燃料を燃焼室の外周部に配置し、燃焼室の燃焼が圧縮行程終点前に燃焼室の外周部から始まる燃焼法を用いる。高負荷側運転領域では、低セタン価燃料を燃焼室の全域に分布させると共に、高セタン価燃料をキャビティに配置し、燃焼室の燃焼が圧縮行程終点後にキャビティから始まる燃焼法を用いる。
【選択図】　図４

Description

　本発明は、燃焼室の燃料を圧縮して自己着火させる内燃機関において、圧縮自己着火性の異なる燃料を用いて燃焼室の燃焼を制御する技術に関する。

　内燃機関において、ＰＣＣＩやＨＣＣＩと呼ばれる予混合の圧縮自己着火燃焼は、排気中のＮOx（窒素酸化物）やスモークが極めて少ない反面、負荷が増加するに従って、燃焼室の温度が過剰に上昇し、燃料の着火時期が過剰に早くなると共に、燃焼率従って圧力上昇が過剰に増大する。過早着火によって燃費が増大する。急激な圧力上昇によって騒音が増大する。

　この課題を解決するため、内燃機関に排気還流装置や吸気過給装置を付設し、負荷が増加するに従って、排気還流装置における還流量や吸気過給装置における過給量を増加させ、燃焼室の混合気の比熱や熱容量を増加させて、燃焼室の温度を低下させ、燃料の着火時期や燃焼率を制御する。ところが、排気の還流量や吸気の過給量には、上限がある。その上限によって、燃焼の制御範囲が制限される。また、排気還流装置や吸気過給装置には、応答遅れがある。その応答遅れによって、内燃機関の運転状態が急変する過渡期には、燃焼の制御に遅れが発生する。実用化が困難である。

　燃焼制御の応答性が高い方法として、圧縮自己着火性の高い燃料と低い燃料を用いて燃焼室の燃焼を制御する方法が提案された。次に例示する。

　〔第１従来技術（特許文献１）〕
　これは、燃焼室の燃料を圧縮自己着火させる高圧縮比のガソリン内燃機関において、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料を燃焼室に供給し、圧縮行程の途中で、低オクタン価燃料を燃焼室の外周部又は全域に配置し、高オクタン価燃料を燃焼室の中心部に配置する。すると、圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の外周付近から中心に向って進行し、ノッキングの発生がない、とのことである。

　〔第２従来技術（非特許文献１）〕
　これは、圧縮自己着火内燃機関において、ガソリンを予混合した吸気を燃焼室に供給し、圧縮行程の終点近傍で燃焼室にガソリン着火用のディーゼル燃料を噴射し、燃焼室のガソリンを燃焼する。排気中のスモークや粒子状物質（ＰＭ）を全ての負荷領域で低減するのに有効である、とのことである。

特開２０００−１７９３６８号公報 自動車技術会論文集の第９４３９１１３号論文

　本発明者達の実験研究によると、予混合の圧縮自己着火内燃機関において、燃焼室の混合気が圧縮され、燃焼室の温度が上昇して一定値に達すると、冷炎とも言う燃料の低温酸化反応が小規模に発生し、燃焼室の温度が更に上昇して更に高い他の一定値に達すると、熱炎とも言う燃料の高温酸化反応が大規模に発生する。即ち、燃料の着火が始まる。

　それ自体のみでは圧縮自己着火が不可能な低セタン価燃料とそれ自体のみで圧縮自己着火が可能な高セタン価燃料を燃焼室に一様に供給し、燃焼室の混合燃料を圧縮自己着火する場合、混合燃料中の高セタン価燃料と低セタン価燃料との比率を変化させると、図１に示すように、混合燃料の着火時期が変化する。混合燃料中の低セタン価燃料の比率が高くなると、着火時期が遅くなる。これは、図２に拡大して示すように、混合燃料中の低セタン価燃料の比率が高くなると、着火前の熱発生率の小さな山、即ち、燃料の低温酸化反応規模が小さくなり、低温酸化反応による燃焼室の温度上昇量が少なくなって、燃焼室の温度が着火温度に達する時期が遅くなるためである。圧縮自己着火性の異なる両燃料の混合比率によって、着火時期は変化するが、図１に示すように、熱発生率の変化パターンないし燃焼率の変化パターンは、ほとんど変化しない。従って、混合燃料中の高セタン価燃料と低セタン価燃料の比率を変えることによって、着火時期は制御することができるが、熱発生率ないし燃焼率は制御することができない。

　混合燃料中の低セタン価燃料の比率を更に高くすると、燃焼の大部分が膨張行程に移行し、熱発生率の最大値が急激に減少するが、燃焼が不安定になり、実用的な運転が困難になる。そのため、圧縮自己着火性の高い燃料と低い燃料を用いても、従来の予混合圧縮自己着火では、負荷の増加に伴って騒音が増大する課題を解決することができない。

　また、本発明者達の実験研究によると、燃料の着火時期を決める主な要因は、燃焼室の混合気の高セタン価燃料濃度である。低セタン価燃料は、着火時期に与える影響が少ない。これは、着火前の低温酸化反応の規模は、主に高セタン価燃料濃度に依存するため、高セタン価燃料濃度が同じであれば、低温酸化反応の規模が小さいときには、低セタン価燃料が有っても無くても、低温酸化反応の規模は同じになり、着火温度に達する時期が同じになるためである。

　図３に示すように、混合気中の燃料が高セタン価燃料のみの場合と、その混合気に低セタン価燃料を加えた場合とで、着火時期が変化せず、ほとんど同じである。また、同図に示すように、燃焼室の混合気の燃料濃度が高い（当量比φ＝０．３０）後者の場合の方が、燃料濃度が低い（当量比φ＝０．２５）前者の場合より、高温酸化反応の熱発生率の最大値が大きく、燃焼が活発になる。

　着火時期は、上記のように、主に高セタン価燃料濃度で決まるので、第１従来技術において、低オクタン価（高セタン価）燃料を燃焼室の全域に均一に配置した場合、着火は、同時多発的に発生する。また、第１従来技術は、高オクタン価（低セタン価）燃料を燃焼室の中心部に配置するので、低オクタン価（高セタン価）燃料を燃焼室の全域に均一に配置した場合、混合気の燃料濃度は、燃焼室の外周部で低く中心部で高くなる。従って、燃焼室で着火が同時多発的に始まると、燃焼は、燃焼室の外周部よりも、燃料濃度の高い中心部で活発になる。これらのことから、第１従来技術が主張するように、圧縮自己着火燃焼が燃焼室の外周付近から中心に向って進行するとは考え難い。ノッキングの発生を抑制するものとは認め難い。

　更に、第１従来技術は、低オクタン価燃料を、吸気ポート又は燃焼室外周に設けた燃料噴射弁から噴射する燃料供給方法を用いる。ところが、この燃料供給方法では、燃焼の安定化に必要な量の低オクタン価燃料を燃焼室の外周部に配置する場合、低オクタン価燃料を燃焼室の周方向に均一に分散し難い。低オクタン価燃料は、濃度が燃焼室の周方向に不均一になる。ＮOxやスモークが発生し易い。

　第２従来技術は、火花点火ガソリン内燃機関に比べて、高い圧縮比を実現することができるが、燃焼の変動が大きいという課題がある。

　　〔課題を解決するための研究〕
　圧縮自己着火内燃機関において、負荷が増加するに従って燃焼室の温度ないし燃焼率が過剰に増大する原因は、着火と燃焼が燃焼室の全域で同時に早期に始まるためである。そこで、負荷の領域を低負荷側と高負荷側の２つの領域に大別し、両領域で異なる燃焼法を用いて着火と燃焼を制御することを考えた。

　Ａ　低負荷側運転領域の燃焼法
　圧縮自己着火性の異なる燃料を用いても、それらの燃料を燃焼室に均一に配置すると、着火と燃焼が燃焼室の全域で同時に始まるので、着火時期に与える影響が大きい高セタン価燃料と、その影響が小さい低セタン価燃料は、燃焼室に成層化して配置する。高セタン価燃料は、燃焼室に不均一に配置する。しかし、燃焼室の高セタン価燃料濃度分布の不均一が大きくなると、ＮOxやスモークが発生し易くなるので、高セタン価燃料の濃度分布の不均一は、過剰にならない程度にする。

　１）高セタン価燃料と低セタン価燃料を燃焼室に供給するとき、燃焼室の混合気を成層化し、圧縮行程において、図４に示すように、高セタン価燃料の濃度を燃焼室の外周部で高くし、また、高セタン価燃料と低セタン価燃料を合わせた合計燃料の濃度も燃焼室の外周部で高くする。すると、図１〜図３に示した実験結果から分かるように、燃焼室の外周部で、着火が始まり、かつ、燃焼が活発になる。着火と燃焼は、圧縮行程の終点前に燃焼室の外周部から始まり、燃焼室の中心部に拡大する。空間的に時間差のある着火と燃焼によって、過早で同時多発の着火と燃焼に基づく燃費の増大や騒音の増大が解消される。

　２）圧縮行程において、図５に示すように、燃焼室１の全域に低セタン価燃料が分布した状態で、燃焼室１の外周部に向けて高セタン価燃料を燃焼室１の天井面中央部の燃料噴射弁２から噴射する。高セタン価燃料の噴流は、それ自身の貫徹力とその周囲に誘起された気流によって燃焼室１の外周部に到着する。すると、図６に示すように、低セタン価燃料が燃焼室１の全域に分布する一方、高セタン価燃料が主に燃焼室１の外周部に分布して、図４に示した燃料濃度分布が実現する。

　図４のような不均一な燃料濃度分布になると、負荷が増加するに従って理論空燃比に近い局所が生ずるようになり、ＮOxやスモークが発生し易くなる。高セタン価燃料の噴射量を少なくすると、燃料濃度分布の不均一が減少してＮOxやスモークの発生が少なくなるが、高セタン価燃料の減少量が多くなると、低温酸化反応規模が縮小し、燃焼室の温度が着火温度まで上昇しない。失火する。

　ところが、図５又は図６に示すように、ピストンの頂面中央部にキャビティ９があり、ピストンの頂面外周部１０上にスキッシュエリアがあると、図６に示した燃料分布になった後、図７に示すように、燃焼室１の外周部、スキッシュエリアの高セタン価燃料がスキッシュ流によってキャビティ９に流入する。

　燃焼室の高セタン価燃料は、スキッシュ流やスワール流のような吸気流によって適度に分散し、燃料濃度分布の不均一が適度に減少してＮOxやスモークの発生が少なくなる。また、スキッシュ流によって、燃焼室の乱流が増加して燃焼速度が増加する。燃焼室外周部の既燃ガスが燃焼室中心部の未燃ガスと混合する。その結果、燃焼が安定する。

　なお、高セタン価燃料を燃料噴射弁２から燃焼室１の外周部に噴射したときに、高セタン価燃料濃度が燃焼室の周方向に不均一になり難くするため、燃料噴射弁２は、多穴ノズルや傘付きピントルノズルを用いる。高セタン価燃料濃度の燃焼室周方向不均一は、スワール流やスキッシュ流のような吸気流によって減少する。燃料噴射弁２に用いる多穴ノズルは、噴口数をスワール流の強さに応じて最適に設定する。

　３）図４、図５、図６と図７に示すような条件で、低セタン価燃料と高セタン価燃料を混合した燃料を燃焼した場合、図８と図９に示すように、高セタン価燃料の混合割合を減らすと、着火時期が遅くなり、燃焼の立ち上がり勾配が緩くなる。着火時期と燃焼率の両者が制御される。燃焼の立ち上がり勾配が緩いので、騒音が低い。

　この場合と対比するため、同一の混合燃料を燃焼室に一様に配置して燃焼した場合、図１０に示すように、高セタン価燃料の混合割合を減らしても、燃焼の立ち上がり勾配がほとんど緩くならない。騒音が高い。なお、図１０において、混合燃料の平均セタン価ＣＮが３０であるときに熱発生率の最大値が小さくなるのは、燃焼時期が膨張行程に移行し、未燃燃料が増加するためである。

　また、図４〜図７に示すような条件で、低セタン価燃料と高セタン価燃料の混合燃料を燃焼し、負荷、当量比φを変化した場合、図１１と図１２に示すように、着火時期と燃焼率が制御される。更に、図１３に示すように、排気中のＮOxが非常に少ない。

　４）スキッシュ流は、その強弱ないし流動状態がキャビティ９の形状、直径と深さの比によって変化する。スキッシュ流が強いと、上記の２）に述べたスキッシュ流による高セタン価燃料の分散と燃焼速度の増加の作用が強くなる。

　キャビティ９は、図１４に示すように、最大径をＬｄとし、最大深さをＬｈとする。最大径に対する最大深さの比Ｌｈ／Ｌｄは、０．２以上であると、スキッシュ流が強くて実用的な効果が得られる。Ｌｈ／Ｌｄは、技術常識から０．８以下になる。

　キャビティ９の最大径に対する最大深さの比Ｌｈ／Ｌｄが０．２７の場合と０．１７の場合を対比する。スキッシュ流は、前者の場合は強く、後者の場合は弱くなる。排気中のＮOxは、図１５に示すように、前者の場合は少なく、後者の場合は多い。図１５の線図は、横軸が高セタン価燃料の供給量である。

　また、スキッシュ流の強弱ないし流動状態は、ピストンの頂面外周部１０の凹凸状態やピストン頂面と燃焼室天井面の間のトップクリアランスによっても変化する。ピストンの頂面外周部１０に凹部や凸部を設け、又は、トップクリアランスを適当な寸法に設定して、スキッシュ流による作用効果を所望の状態にすることが可能である。

　５）低負荷側の運転領域において負荷ないし燃料供給量が増加すると、上記のスキッシュ流による作用があっても、燃料濃度分布に、ＮOxの発生限界を超えた局所が生じ、ＮOxが発生することがある。

　上記１）に述べて図４に示したように、高セタン価燃料の濃度と、高セタン価燃料と低セタン価燃料の合計燃料の濃度をそれぞれ燃焼室の外周部で高くするときは、図１６の左側に示すように、合計燃料濃度の最大値、燃焼室外周部の濃度をＮOx発生限界以下に設定する。

　負荷が増加し、低セタン価燃料の供給量を増加するときは、低セタン価燃料を燃焼室の中心部に集中させ、図１６の右側に示すように、低セタン価燃料の濃度を燃焼室の中心部で高くする。即ち、低セタン価燃料の濃度は、圧縮行程において、燃焼室の中心部で外周部より高い山形分布にする。又は、その山形分布の高低度合いを大きくする。合計燃料の濃度は、燃焼室の中心部でＮOx発生限界を超えない限度で高くし、燃焼室の外周部でＮOx発生限界を超えない状態を維持する。即ち、合計燃料の濃度は、燃焼室の中心部と外周部で差のない均一分布になる方向に制御する。

　６）低セタン価燃料を燃焼室にその中心部に集中させて供給するには、例えば、次のような吸気成層化技術を利用する。

　燃焼室１は、図１７に示すように、吸気行程において、２個の吸気ポート３ａ、３ｂで吸気のスワール流Ｓ１、Ｓ２を同一方向に形成する。スワール流の下流側の吸気ポート３ａは、図１７と図１８に示すように、ヘリカルポート形状であり、吸気がほぼ燃焼室１天井面に沿う向きに流出し、燃焼室１の天井面側の上部にその周壁に沿う第１吸気のスワール流Ｓ１を形成する。第１吸気Ｓ１には、低セタン価燃料を混入する。上流側の吸気ポート３ｂは、タンジェンシャルポート形状であり、吸気が斜め下向きに流出し、燃焼室１のピストン頂面側の下部にその周壁に沿う第２吸気のスワール流Ｓ２を形成する。第２吸気Ｓ２には、低セタン価燃料を混入しない。

　吸気行程に、図１７に示すように、燃焼室１の上部と下部に、それぞれ、その周壁に沿う第１吸気のスワール流Ｓ１、第２吸気のスワール流Ｓ２を形成すると、吸気行程の終点に、図１９に示すように、燃焼室１に第１吸気のスワール流Ｓ１と第２吸気のスワール流Ｓ２が上下に成層化される。吸気行程の終点には、上流側の吸気ポート３ｂから最後に流入した第２吸気Ｓ２の最後尾部分が燃焼室１の上部に存在する。第１吸気Ｓ１と第２吸気Ｓ２の境界面Ｂは、燃焼室１天井面ないしピストン頂面に平行する平面にならず、傾斜した凹凸曲面になる。

　燃焼室１の第１吸気Ｓ１と第２吸気Ｓ２は、時間の経過に従って混ざり合い、第１吸気Ｓ１にのみ含まれていた低セタン価燃料が第２吸気Ｓ２にも含まれるようになり、低セタン価燃料の濃度が連続して変化する状態になる。低セタン価燃料の濃度がほぼ中間値になる面を第１吸気Ｓ１と第２吸気Ｓ２の境界面Ｂとする。

　圧縮行程になると、第２吸気Ｓ２の最後尾部分が燃焼室１の下部に移動し、第１吸気Ｓ１と第２吸気Ｓ２の混合が進行する。圧縮行程の中程には、図２０に示すように、第１吸気Ｓ１と第２吸気Ｓ２の境界面Ｂは、燃焼室１天井面ないしピストン頂面に平行する平面に近づく。燃焼室１に第１吸気スワール流Ｓ１と第２吸気スワール流Ｓ２が上下に成層化された状態は、圧縮行程の中程まで継続する。

　圧縮行程の後半には、スキッシュ流が発生する。ピストン頂面の周辺部上のスワール流は、スキッシュ流によってピストン頂面の中央部のキャビティ９内に運ばれ、径の縮小に伴うスワール方向速度の増加による遠心力によって、キャビティ９の中心に向かわず、キャビティ９の周壁に沿って流れ、キャビティ９の底面に向かう。キャビティ９内は、図２１（ａ）（ｂ）（ｃ）に時間経過順に示すように、燃焼室１下部の第２吸気Ｓ２が充満した状態から、中央領域に燃焼室１上部の第１吸気Ｓ１が流入し、周辺領域と底部領域のみに第２吸気Ｓ２が残る。

　圧縮行程の終点近傍では、低セタン価燃料の濃度分布は、図２２の模擬実験例に示すようになる。燃焼室の中心部では、高い濃度の領域が広い。燃焼室の外周部では、高い濃度の領域が狭い。低セタン価燃料の濃度は、燃焼室の中心部で高く、燃焼室の外周部で低くなる。

　７）燃焼室の燃料の着火時期と熱発生率の変化パターンは、燃焼室の高セタン価燃料の分布状態即ち成層度によって変化する。この成層度は、高セタン価燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量、噴射率や噴霧形状などの噴射特性によって変化する。換言すると、高セタン価燃料の噴射特性を変更することによって、燃焼室の高セタン価燃料の分布状態が制御され、燃焼室の燃料の着火時期と熱発生率の変化パターンが制御される。

　８）高セタン価燃料の噴射時期が圧縮行程の終点に近づくに従って、高セタン価燃料が噴射されてから着火するまでの時間が短くなり、高セタン価燃料の着火時の分散状態が悪くなる。その結果、図２３に示すように、排気中のＮOxが増加する。ＮOxの発生を少なくするため、高セタン価燃料の噴射時期は、−３０°ATDC以前が好ましい。

　９）負荷が増加するに従って、燃焼室はその内面と残留ガスの温度が上昇し、燃料の着火時期が過剰に早くなる傾向にある。負荷が半負荷位、例えば全負荷時の最大燃料供給量に対する燃料供給量の割合即ち負荷の割合が４５％位、を超えない運転領域では、負荷が増加するに従って、燃焼室の高セタン価燃料の割合を減少する。すると、低温酸化反応が抑制され、着火前の温度上昇が緩和される。燃料の着火時期を適正化することができる。

　負荷が極めて低いアイドリング運転付近では、低セタン価燃料を供給せず、燃焼室の燃料は、高セタン価燃料のみにして着火を確実にすることもできる。

　１０）本発明者達の実験研究に用いた圧縮比１４の内燃機関の場合、負荷が半負荷位、例えば４５％負荷位を超えた運転領域では、高セタン価燃料の噴射時期が−３０°ATDC以前であると、過早着火やノッキングが発生し易くなる。

　これを回避する１つの手段は、負荷が半負荷位を超えた運転領域で、排気還流装置を使用する。燃焼室には排気の一部を還流し、負荷が増加するに従って、低セタン価燃料の供給量を増加すると共に、排気の還流率を増加する。還流排気で燃焼を緩慢にする。排気還流装置は、その還流量が上限値になるまでの範囲でしか使用できない。使用範囲が狭いので、応答遅れの影響が少ない。

　Ｂ　高負荷側運転領域の燃焼法
　１１）負荷が増加した運転領域で、過早着火やノッキングを回避する他の手段は、高セタン価燃料の噴射時期を遅くして圧縮行程の終点近傍にし、着火を膨張行程に移行することである。

　ところが、圧縮比１４の燃焼室の全域に低セタン価燃料を分布させ、圧縮行程の終点近傍で、燃焼室の天井面中心部の燃料噴射弁から高セタン価燃料を、従来通り、放射方向に少し斜め下向きに噴射した場合、図２４に燃焼室の圧力変化を細線で熱発生率の変化を太線で示すように、等容度が０．８６で燃費が悪く、最大圧力が低くて出力が低い。燃料の着火時期は、１５°ATDC位である。これより早いと、ノッキングが発生し易くなる。

　そこで、高セタン価燃料の噴流とキャビティ内の低セタン価燃料との相対位置関係について研究した。燃焼を促進するためには、両者の接触面積ないし混合面積を広くする。また、前者から後者への火炎伝播距離を短くする。そのためには、キャビティ内を走行する高セタン価燃料の噴流を長くする。高セタン価燃料は、キャビティ内の最遠点に向けて噴射する。

　即ち、高セタン価燃料は、燃焼室の天井面中央部の燃料噴射弁からピストン頂面中央部のキャビティの側面と底面の隅角部に向けて噴射する。この噴射方向は、従来のディーゼル機関におけるよりも下向きである。噴射のコーン角は、従来のディーゼル機関におけるよりも狭い。この方向に噴射された高セタン価燃料は、圧縮自己着火して、高温ガス塊が発生する。この高温ガス塊は、スキッシュ流などのガス流動でキャビティ内の低セタン価燃料中を流動して、低セタン価燃料が急速燃焼する。高セタン価燃料が圧縮行程の終点近傍でキャビティに配置され、急速燃焼が圧縮行程の終点後にキャビティから始まる。

　図２４に結果を示した従来例において高セタン価燃料の噴射方向を更に下向きにしてキャビティの壁面と底面の隅角部向きにした場合、図２５に燃焼室の圧力変化を細線で熱発生率の変化を太線で示すように、等容度が０．９５に向上して燃費が良くなり、出力が高くなる。燃料の着火時期は、６°ATDC位である。また、燃焼は、期間が短くなり、急速燃焼である。ノッキングが発生する前に燃焼が終了する。ノッキングが発生しない。燃焼期間は短いが、燃焼の立ち上がり勾配が緩く、圧力の上昇が急激ではないので、騒音が低くなる。

　１２）高セタン価燃料の噴射方向とキャビティとの相対位置関係について別の観点から規定する。
　キャビティは、ピストンと一緒に上死点と下死点の間を昇降する。また、キャビティ９は、図２６に示すように、深皿形である場合、側面が均等径の円筒面ではなく軸方向が凸凹し、底面が平面ではなく径方向が凸凹している。この場合、圧縮行程の終点、上死点（TDC）に位置するキャビティ９の側面の最大径位置を通る垂直線ｖと底面の最大深さ位置を通る水平線ｈとの交点と、燃焼室１の天井面における高セタン価燃料の噴射位置、燃料噴射弁２の噴口とを結ぶ直線ｄを仮想する。この仮想直線ｄと高セタン価燃料の噴射軸Ｆとがなす角度αは、高セタン価燃料の噴射方向とキャビティ９との相対位置を表すことになる。

　排気中のスモークは、図２７に示すように、仮想直線ｄと噴射軸Ｆとの角度αによって変化する。角度αは、噴射軸Ｆが仮想直線ｄの上側になるときを＋、下側になるときを−とする。等量比φが０．６のときも、０．８のときも、角度αが±１０度以内であると、スモークが少ない。

　Ｃ　その他の燃焼法
　１３）低セタン価燃料と高セタン価燃料を燃料にする上記の燃焼法とは異なる燃焼法も可能である。
　高セタン価燃料は、点火プラグの代りにし、低セタン価燃料着火用の少量にする。低セタン価燃料の供給量は、負荷に応じて調整する。少量の高セタン価燃料は、圧縮行程の終点近傍で噴射し、低セタン価燃料を燃焼する。この場合、吸気の量は、スロットル弁で制御して、燃焼室の混合気をストイキ又はリーンの状態にし、この状態で燃焼する。このように、通常の火花点火式のストイキ又はリーンバーン機関と近似した燃焼法で運転することができる。

　また、吸気に予混合する低セタン価燃料は、供給せず、高セタン価燃料は、供給量を負荷に応じた量にし、圧縮行程の終点近傍で噴射して、燃焼する。すると、通常のディーゼル機関と同様な燃焼法で運転することができる。

　１４）燃料槽への１回の給油による運転時間を長くするため、燃料槽の低セタン価燃料と高セタン価燃料の各残量に応じて、上記の複数の燃焼法から最適なものを選択して使用する。また、上記の複数の燃焼法は、運転者の意思によって使い分ける。内燃機関を車両や船舶に搭載する場合、低速走行の多い場所か高速走行の多い場所かなどの走行場所に応じて使い分ける。

　Ｄ　燃料槽と燃料分離装置
　１５）燃料槽は、低セタン価燃料貯蔵部と高セタン価燃料貯蔵部に区画する。両燃料の貯蔵量を使用形態に応じて最適化するため、両貯蔵部を区画する仕切り部を移動可能にして両貯蔵部の容積比を変更可能にする。両燃料の使用履歴に応じて、又は、運転者の意思によって、燃料槽の両貯蔵部の容積比を変更する。

　１６）内燃機関を車両、船舶や航空機に搭載する場合、単一の燃料から低セタン価燃料と高セタン価燃料を分離する燃料分離装置も搭載し、燃料分離装置で分離した低セタン価燃料と高セタン価燃料を内燃機関に用いる。

　（ａ）低負荷側運転領域と高負荷側運転領域の燃焼法
　１）ピストンにキャビティのある燃焼室に燃料を供給し、燃焼室の燃料を圧縮して自己着火させる内燃機関において、
　燃焼室に供給する燃料は、それ自体のみでは圧縮自己着火が不可能な低セタン価燃料と、それ自体のみで圧縮自己着火が可能な高セタン価燃料であり、
　低負荷側の運転領域では、低セタン価燃料を燃焼室の全域に分布させると共に、高セタン価燃料を燃焼室の外周部に配置し、燃焼室の燃焼が圧縮行程の終点前に燃焼室の外周部から始まる燃焼法を用い、
　高負荷側の運転領域では、低セタン価燃料を燃焼室の全域に分布させると共に、高セタン価燃料をキャビティに配置し、燃焼室の燃焼が圧縮行程の終点後にキャビティから始まる燃焼法を用いることを特徴とする燃焼制御方法。

　（ｂ）低負荷側運転領域の燃焼法
　２）上記の燃焼制御方法において、
　低負荷側の運転領域で、圧縮行程において、高セタン価燃料の濃度は、燃焼室の外周部で中心部より高くし、また、高セタン価燃料と低セタン価燃料との合計燃料の濃度も燃焼室の外周部で中心部より高くすることを特徴とする。

　３）上記１）又は２）の燃焼制御方法において、
　低負荷側の運転領域で、圧縮行程において、燃焼室の全域に低セタン価燃料が分布した状態で、燃焼室の外周部のスキッシュエリアに高セタン価燃料を噴射し、スキッシュエリアの高セタン価燃料をスキッシュ流でピストン頂面中央部のキャビティに流入させることを特徴とする。

　４）上記１）、２）又は３）の燃焼制御方法において、
　キャビティは、最大径に対する最大深さの比Ｌｈ／Ｌｄが０．２以上で０．８以下であることを特徴とする。

　５）上記２）の燃焼制御方法において、
　低負荷側の運転領域で、圧縮行程において、低セタン価燃料の濃度は、燃焼室の中心部で外周部より高くすることを特徴とする。

　６）上記２）又は５）の燃焼制御方法において、
　低負荷側の運転領域で負荷が増加すると、圧縮行程において、低セタン価燃料の濃度は、燃焼室の中心部で外周部より高い山形分布にし、又は、その山形分布の高低度合いを大きくして、高セタン価燃料と低セタン価燃料との合計燃料の濃度は、燃焼室の中心部と外周部で差のない均一分布になる方向に制御することを特徴とする。

　７）上記３）の燃焼制御方法において、
　低負荷側の運転領域で、高セタン価燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量、噴射率や噴霧形状などの噴射特性を変更することによって、燃焼室の高セタン価燃料の分布状態を制御することを特徴とする。

　８）上記３）又は７）の燃焼制御方法において、
　低負荷側の運転領域で、高セタン価燃料の噴射時期は、−３０°ATDC以前であることを特徴とする。

　９）上記１）〜８）のいずれかの燃焼制御方法において、
　低負荷側の運転領域で、負荷が増加するに従って、燃焼室の高セタン価燃料の割合を減少することを特徴とする。

　１０）上記１）〜９）のいずれかの燃焼制御方法において、
　低負荷側の運転領域で、燃焼室に排気の一部を還流し、負荷が増加するに従って、低セタン価燃料の供給量を増加すると共に、排気の還流率を増加することを特徴とする。

　（ｃ）高負荷側運転領域の燃焼法
　１１）上記１）〜１０）のいずれかの燃焼制御方法において、
　高負荷側の運転領域で、高セタン価燃料を、圧縮行程の終点近傍で、燃焼室の天井面中央部の燃料噴射弁からピストン頂面中央部のキャビティの側面と底面の隅角部に向けて噴射し、この高セタン価燃料が圧縮自己着火して発生した高温ガス塊をスキッシュ流などのガス流動でキャビティ内の低セタン価燃料中を流動させ、低セタン価燃料を急速燃焼することを特徴とする。

　１２）上記１１）の燃焼制御方法において、
　上死点に位置するキャビティの側面の最大径位置を通る垂直線と底面の最大深さ位置を通る水平線との交点と燃焼室天井面の高セタン価燃料噴射位置とを結ぶ仮想直線と、高セタン価燃料の噴射軸とがなす角度は、±１０度以内とすることを特徴とする。

　１３）上記１）、１１）又は１２）の燃焼制御方法において、
　高負荷側の運転領域で、高セタン価燃料は、供給量を低セタン価燃料着火用の少量にし、低セタン価燃料は、供給量を負荷に応じた量にすることを特徴とする。

　（ｄ）その他の燃焼法
　１４）上記１）〜１２）のいずれかの燃焼制御方法において、
　上記の燃焼法と、高セタン価燃料は、供給量を低セタン価燃料着火用の少量にし、圧縮行程の終点近傍で噴射し、低セタン価燃料は、供給量を負荷に応じた量にする燃焼法とを使い分けることを特徴とする。

　１５）上記１）〜１３）のいずれかの燃焼制御方法において、
　上記の燃焼法と、低セタン価燃料は供給せず、高セタン価燃料は供給量を負荷に応じた量にして圧縮行程の終点近傍で噴射する燃焼法とを使い分けることを特徴とする。

　（ｅ）内燃機関、燃料槽と燃料分離装置
　１６）上記１）〜１５）のいずれかの燃焼制御方法を実施する内燃機関であって、
　低セタン価燃料の噴射弁を吸気通路又は燃焼室に、高セタン価燃料の噴射弁を燃焼室の天井面中央部に設け、燃焼室のピストンの頂面中央部にキャビティを、ピストンの頂面外周部上にスキッシュエリアを設けたことを特徴とする。

　１７）上記１６）の内燃機関において、
　燃料槽は、低セタン価燃料貯蔵部と高セタン価燃料貯蔵部に区画し、両貯蔵部を区画する仕切り部を移動可能にして両貯蔵部の容積比を変更可能にしたことを特徴とする。

　１８）上記１６）又は１７）の内燃機関において、
　単一の燃料から低セタン価燃料と高セタン価燃料を分離する燃料分離装置を設け、燃料分離装置で分離した低セタン価燃料と高セタン価燃料を用いる構成にしたことを特徴とする。

　圧縮自己着火燃焼において、低負荷側の運転領域では、低セタン価燃料と高セタン価燃料の成層化で着火時期と燃焼率が制御される。高負荷側の運転領域では、高セタン価燃料の噴射時期、キャビティに対する高セタン価燃料噴射方向とスキッシュ流などのガス流動で着火時期と燃焼率が制御される。

　負荷の増加に従って増大する燃費と騒音が低減する。排気中のＮOxやスモークが低減する。ノッキングの発生が抑制される。

　〔第１例（図２８〜図３１参照）〕
　本例の圧縮自己着火内燃機関は、図２８に示すように、燃焼室１の天井面の中心部に着火用の燃料噴射弁２を設けている。燃焼室１の天井面の一側には、吸気弁付きの吸気ポート３を設け、吸気ポート３に吸気管４を接続している。吸気ポート３と吸気管４で吸気通路を構成している。吸気通路３、４には、予混合用の燃料噴射弁５を設け、スロットル弁６を設けている。燃焼室１の天井面の他側には、排気弁付きの排気ポート７を設け、排気ポート７に排気管８を接続している。排気ポート７と排気管８で排気通路を構成している。

　燃焼室１のピストンは、頂面の中央部に中心軸対称形状のキャビティ９を同心状に形成し、頂面外周部１０の上をスキッシュエリアにしている。キャビティ９は、深皿形であり、側面上部の開口部に小径部があって側面中央部に大径部があり、側面と底面の隅角部が円弧状断面形状であり、底面中央部に山部があってその周囲が谷部である。図１４を参照して説明した通り、キャビティ９は、最大径に対する最大深さの比Ｌｈ／Ｌｄは、０．２以上で０．８以下である。

　着火用燃料噴射弁２の噴射方向は、放射方向であって斜め下向きであり、圧縮行程の途中で燃焼室１の外周部のスキッシュエリアに向い、圧縮行程の終点近傍でキャビティ９の側面と底面の隅角部に向う。図２６を参照して説明した通り、上死点に位置するキャビティ９の側面の最大径位置を通る垂直線と底面の最大深さ位置を通る水平線との交点と燃料噴射弁２の高セタン価燃料の噴口とを結ぶ仮想直線ｄと、燃料噴射弁２の高セタン価燃料の噴射軸Ｆとがなす角度αは、±１０度以内である。

　着火用の燃料噴射弁２は、ポンプを経て燃料槽の高セタン価燃料貯蔵部１１に接続している。予混合用の燃料噴射弁５は、ポンプを経て燃料槽の低セタン価燃料貯蔵部１２に接続している。燃料槽の両貯蔵部１１、１２を区画する仕切り部１３は移動可能にし、両貯蔵部１１、１２の容積比を変更可能にしている。

　図示しないが、排気の一部を吸気に還流する排気還流装置は、入口を排気通路７、８に接続し、出口を吸気通路３、４に接続している。

　デジタルコンピュータの燃焼制御装置１４は、図示しないが、入力端にクランク角センサや燃焼室１の圧力センサ、温度センサなどを接続している。また、燃焼制御装置１４の入力端には、図２８に示すように、燃料槽の高セタン価燃料貯蔵部１１の残量を検出するセンサ１５と、低セタン価燃料貯蔵部１２の残量を検出するセンサ１６を接続している。

　本例の内燃機関は、図示しないが、自動車のような車両に、全地球測位システム（ＧＰＳ）を利用したナビゲーションシステム１７と共に搭載している。ナビゲーションシステム１７の出力端は、図２８に示すように、燃焼制御装置１４の入力端に接続している。

　燃焼制御装置１４の出力端は、着火用燃料噴射弁２の駆動回路１８と予混合用燃料噴射弁５の駆動回路１９にそれぞれ接続している。また、燃料槽の移動可能な仕切り部１３の駆動回路２０とスロットル弁６の駆動回路２１にそれぞれ接続している。

　〔第１、第２と第３モードからなる燃焼例１（図２９参照）〕
　本例の内燃機関において、燃焼室１の燃焼には、低負荷側の運転領域では、第１燃焼モードと第２燃焼モードを用いる。高負荷側の運転領域では、第３燃焼モードを用いる。

　「第１燃焼モードと第２燃焼モード」
　低負荷側の運転領域では、吸気行程において、それ自体のみでは圧縮自己着火が不可能な低セタン価燃料を燃料噴射弁５から吸気通路３、４の吸気に向けて噴射し、低セタン価燃料を予混合した吸気を燃焼室１に充填する。燃焼室１に低セタン価燃料と空気の混合気が充填した状態で、圧縮行程の途中において、それ自体のみで圧縮自己着火が可能な高セタン価燃料を燃料噴射弁２から燃焼室１の外周部のスキッシュエリアに向けて噴射する。

　すると、低セタン価燃料が燃焼室１の全域にほぼ一様に分布する一方、高セタン価燃料が主に燃焼室１の外周部に分布して、図４に示した燃料濃度分布になる。燃焼室１の外周部で、圧縮自己着火が始まり、かつ、燃焼が活発になる。次に、着火と燃焼が燃焼室１の中心部に拡大する。図４の燃料濃度分布になった後、燃焼室１の外周部、スキッシュエリアの高セタン価燃料がスキッシュ流によってキャビティ９に流入する。燃焼室１外周部の既燃ガスが燃焼室中心部の未燃ガスと急速に混合する。燃焼室１の燃焼が圧縮行程の終点前に燃焼室１の外周部から始まる。

　「第１燃焼モード」
　全負荷時の最大燃料供給量に対する燃料供給量の割合、即ち、負荷の割合が４５％位を超えない低負荷側運転領域では、負荷が増加するに従って、図２９（ａ）（ｂ）に示すように、高セタン価燃料の噴射時期は、ほとんど変更しないが、低セタン価燃料の供給量を増加して高セタン価燃料の供給量を減少し、燃焼室１に供給される両燃料は、高セタン価燃料の割合を減少する。負荷が極めて低いアイドリング運転付近では、低セタン価燃料を供給せず、燃焼室１の燃料は、高セタン価燃料のみにする。

　「第２燃焼モード」
　負荷が４５％位を超えた低負荷側運転領域では、排気還流装置を作動し、排気の一部を吸気に還流する。負荷が増加するに従って、図２９（ｂ）（ｃ）に示すように、低セタン価燃料の供給量を増加すると共に、排気の還流率、ＥＧＲ率を増加する。その還流率は、負荷が７０％位になると、上限値になる。負荷が７０％位を超えると、排気還流装置は、作動を停止する。

　「第３燃焼モード」
　負荷が７０％位を超えた高負荷側運転領域では、吸気行程において、低セタン価燃料を燃料噴射弁５から吸気通路３、４の吸気に向けて噴射し、低セタン価燃料を予混合した吸気を燃焼室１に充填する。燃焼室１に低セタン価燃料と空気の混合気が充填した状態で、圧縮行程の終点近傍において、高セタン価燃料を燃料噴射弁２からキャビティ９の側面と底面の隅角部に向けて噴射する。

　高セタン価燃料の噴射時期は、図２９（ａ）に示すように、遅くして圧縮行程の終点近傍にする。高セタン価燃料の噴射量は、ＮOxの発生を増加させないため、図２９（ｂ）に示すように、着火と燃焼に必要な最少量にする。即ち、低セタン価燃料の供給量は、負荷に応じた量にすると共に、高セタン価燃料の供給量は、低セタン価燃料着火用の少量にする。

　キャビティ９に噴射された高セタン価燃料は、圧縮自己着火して高温ガス塊を発生し、この高温ガス塊がスキッシュ流などのガス流動でキャビティ９の低セタン価燃料と空気の混合気中を流動し、その混合気中の低セタン価燃料が急速燃焼する。燃焼室１の燃焼が圧縮行程の終点後にキャビティ９から始まる

　〔第１モードと第３モードのみを用いる燃焼例２（図３０参照）〕
　この燃焼例２は、低負荷側の運転領域では、第１燃焼モードのみを用いる。第２燃焼モードは、用いない。高負荷側の運転領域では、第３燃焼モードを用いる。

　負荷が約４５〜７０％の運転領域では、図３０に示すように、燃焼例１における第２燃焼モード、排気還流装置に代えて、第３燃焼モードを用いる。第３燃焼モードの使用範囲は、負荷が約４５％以上の範囲になる。高負荷側の運転領域は、燃焼例１におけるより広くなり、約４５〜１００％負荷の範囲になる。低負荷側の運転領域は、燃焼例１におけるより狭くなり、約０〜４５％負荷の範囲になる。

　第３燃焼モードは、第２燃焼モードに比較して、ＮOxが少なくならない傾向があるが、燃焼が急速であるので、等容度が高くなる。燃費が良くなる。また、第３燃焼モードは、第２燃焼モードに比較して、高セタン価燃料の使用量が少ないので、高セタン価燃料の残量が少なくなって高セタン価燃料を節約したいときに使用する。更に、第３燃焼モードは、運転状態が急変する過渡期であって排気還流装置の作動が間に合わないときに、第２燃焼モードの代りに使用する。

　燃焼例２は、燃焼例１と同様に、スロットル弁６を使用しなくても、燃焼が可能である。スロットル弁６を全開にしたままにすると、ポンピングロスがない。燃費が良い。

　〔第３モードのみを用いる燃焼例３（図３１参照）〕
　この燃焼例３は、図３１（ａ）（ｂ）に示すように、低負荷側と高負荷側の全ての運転領域で、第３燃焼モードを用いる。

　第３燃焼モードは、スロットル弁６を使用しなくても、全負荷から約４５％負荷の範囲で燃焼が可能である。負荷が約４５％より少なくなると、燃焼室１の混合気がリーンになり過ぎて、燃焼が不安定になることがある。そこで、負荷が約４５％より少ないときは、図３１（ｃ）（ｄ）に示すように、スロットル弁６を使用し、燃焼室１の吸気量を減らして、燃焼室１の混合気をストイキに近づけ、燃焼を安定にする。又は、燃焼室１の残留ガス量、内部ＥＧＲ率を増加させ、燃焼室１の温度を上げて、燃焼を安定にする。即ち、第３燃焼モードは、スロットル弁６又は内部ＥＧＲと組み合わせることにより、全負荷からアイドリング負荷までの全範囲で用いることができる。

　第３燃焼モードは、高セタン価燃料の使用量が少ないので、高セタン価燃料の残量が非常に少なくなったときに、負荷の全範囲で用いる。運転時間ないし走行距離を伸ばすことができる。

　〔燃焼法の使い分け〕
　第１、第２と第３燃焼モードは、低セタン価燃料と高セタン価燃料との２種類の燃料を用いる燃焼法である。第１燃焼モードと第２燃焼モードは、低セタン価燃料と高セタン価燃料を燃料にする燃焼法である。第３燃焼モードは、高セタン価燃料を低セタン価燃料着火用の少量にする燃焼法である。また、低セタン価燃料は、供給を停止し、高セタン価燃料は、負荷に応じた量を圧縮行程の終点近傍で噴射し、通常のディーゼル機関と同様な燃焼法で燃焼することも可能である。これは、低セタン価燃料を使用せずに高セタン価燃料のみを燃料にする燃焼法である。

　上記の４種類の燃焼法、低セタン価燃料と高セタン価燃料を燃料にする第１燃焼モードと第２燃焼モード、高セタン価燃料を低セタン価燃料着火用の少量にする第３燃焼モードと、低セタン価燃料を使用せずに高セタン価燃料のみを燃料にするディーゼル燃焼法は、センサ１５が出力する高セタン価燃料の残量とセンサ１６が出力する低セタン価燃料の残量に応じて、又は、ナビゲーションシステム１７が出力する、住宅密集地のような低速走行の多い場所か、高速道路のような高速走行の多い場所か、などの走行場所に応じて、若しくは、運転者の意思によって使い分ける。

　燃料槽の両貯蔵部１１、１２の容積比は、センサ１５とセンサ１６の出力から求められる両燃料の使用履歴に応じて、又は、運転者の意思によって変更する。

　〔変形例〕
　燃焼室１の燃料噴射弁２は、噴射特性を変更可能な可変式にする。低負荷側の運転領域では、高セタン価燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量、噴射率や噴霧形状などの噴射特性を、燃焼室１の圧力や温度のような燃焼状態に応じて変更する。すると、燃焼室１の高セタン価燃料の分布状態が制御され、燃料の着火時期と熱発生率の変化パターンが制御される。

　〔第２例（図３２参照）〕
　本例の圧縮自己着火内燃機関は、第１例のそれにおいて、吸気通路３、４に予混合用、低セタン価燃料用の燃料噴射弁５を設けず、図３２に示すように、低セタン価燃料用と高セタン価燃料用を兼ねた燃料噴射弁３１を燃焼室１の天井面の中心部に設けている。

　燃料噴射弁３１は、噴射時期、噴射方向や噴霧形状のような噴射特性を変更可能な可変式である。この燃料噴射弁３１は、吸気行程において、低セタン価燃料を下向きに円錐形状に噴射して燃焼室１の吸気に予混合する。また、燃料噴射弁３１は、第１例における燃料噴射弁２と同様に、高セタン価燃料を噴射する。即ち、低負荷側の運転領域では、高セタン価燃料を、圧縮行程の途中で燃焼室１の外周部のスキッシュエリアに向けて噴射する。高負荷側の運転領域では、高セタン価燃料を、圧縮行程の終点近傍でキャビティ９の側面と底面の隅角部に向けて噴射する。その他の点は、第１例におけるのと同様である。

　〔変形例〕
　第１例と第２例の圧縮自己着火内燃機関は、液体燃料を使用しているが、これに代えて、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）、メタンガスやプロパンガスのような気体燃料を使用する。

　本発明は、車両、船舶や航空機の原動機に利用される。

低セタン価燃料と高セタン価燃料の混合比率を変えた場合における予混合圧縮自己着火の熱発生率の変化を示す線図。 図１の低温酸化反応部分を拡大して示す線図。 燃料が高セタン価燃料のみの場合とそれに低セタン価燃料を加えた場合における予混合圧縮自己着火の熱発生率の変化を示す線図。 本発明における燃焼室の低セタン価燃料と高セタン価燃料の濃度分布を示す線図。 本発明において高セタン価燃料が燃焼室に噴射される様子を示す模式図。 本発明において低セタン価燃料と高セタン価燃料が成層化される様子を示す模式図。 本発明において高セタン価燃料がキャビティに流入する様子を示す模式図。 本発明において低セタン価燃料と高セタン価燃料を成層化してそれらの混合比率を変えた場合における熱発生率の変化を示す線図。 図８の低温酸化反応部分を拡大して示す線図。 比較例において低セタン価燃料と高セタン価燃料を一様に配置してそれらの混合比率を変えた場合における熱発生率の変化を示す線図。 本発明において当量比を変えた場合における熱発生率の変化を示す線図。 図１１の低温酸化反応部分を拡大して示す線図。 本発明における排気中のＮOxと当量比の関係を示す線図。 キャビティの最大径と最大深さを示す模式図。 キャビティの最大径に対する最大深さの比を変えた場合における排気中のＮOxと高セタン価燃料の供給量の関係を示す線図。 左右の線図は図４と同様な燃料濃度分布図にＮOx発生限界濃度を示し、低セタン価燃料の増量時に左側の濃度分布から右側の濃度分布にすることを示す図。 燃料を燃焼室中央部に集中させる吸気成層化技術における吸気行程中程の燃焼室の概略斜視図。 同技術における燃焼室の概略平面図。 同技術における吸気行程終点の燃焼室の概略斜視図。 同技術における圧縮行程中程の燃焼室の概略斜視図。 同技術における圧縮行程終点近傍の燃焼室の概略縦断面図で、吸気の流動状態を示す図。 同技術における模擬実験例の圧縮行程終点近傍の燃料濃度分布を示す図。 本発明における排気中のＮOxと高セタン価燃料の噴射時期の関係を示す線図。 高セタン価燃料の噴射方向が従来通りである場合における燃焼室の圧力と熱発生率の変化を示す線図。 本発明における燃焼室の圧力と熱発生率の変化を示す線図。 本発明におけるキャビティに対する高セタン価燃料の噴射方向を示す模式図。 本発明における排気中のスモークとキャビティに対する高セタン価燃料の噴射方向の関係を示す線図。 本発明の実施形態の第１例における圧縮自己着火内燃機関の概略縦断面図。 同内燃機関における燃焼例１の高セタン価燃料の噴射時期、燃料の噴射量、ＥＧＲ率と負荷の関係を示す線図。 同内燃機関における燃焼例２の高セタン価燃料の噴射時期、燃料の噴射量、ＥＧＲ率と負荷の関係を示す線図。 同内燃機関における燃焼例３の高セタン価燃料の噴射時期、燃料の噴射量、スロットル弁の開度、空燃比と負荷の関係を示す線図。 実施形態の第２例における圧縮自己着火内燃機関の概略縦断面図。

符号の説明

１　燃焼室
２　着火用、高セタン価燃料用の燃料噴射弁
３、３ａ、３ｂ　吸気ポート
３、４　吸気通路
５　予混合用、低セタン価燃料用の燃料噴射弁
６　スロットル弁
９　キャビティ
１０　ピストン頂面の外周部
１１　燃料槽の高セタン価燃料貯蔵部
１２　燃料槽の低セタン価燃料貯蔵部
１３　燃料槽の仕切り部
１４　燃焼制御装置のデジタルコンピュータ
１５　高セタン価燃料の残量センサ
１６　低セタン価燃料の残量センサ
１７　ナビゲーションシステム
３１　低セタン価燃料用と高セタン価燃料用を兼ねた燃料噴射弁
Ｌｄ　キャビティの最大径
Ｌｈ　キャビティの最大深さ
Ｆ　高セタン価燃料の噴射軸
ｖ　キャビティの側面の最大径位置を通る垂直線
ｈ　キャビティの底面の最大深さ位置を通る水平線
ｄ　上死点位置のキャビティの垂直線ｖと水平線ｈとの交点と、燃料噴射弁２の噴口とを結ぶ仮想直線
α　仮想直線ｄと噴射軸Ｆとがなす角度

Claims (18)

1. 　ピストンにキャビティのある燃焼室に燃料を供給し、燃焼室の燃料を圧縮して自己着火させる内燃機関において、
   　燃焼室に供給する燃料は、それ自体のみでは圧縮自己着火が不可能な低セタン価燃料と、それ自体のみで圧縮自己着火が可能な高セタン価燃料であり、
   　低負荷側の運転領域では、低セタン価燃料を燃焼室の全域に分布させると共に、高セタン価燃料を燃焼室の外周部に配置し、燃焼室の燃焼が圧縮行程の終点前に燃焼室の外周部から始まる燃焼法を用い、
   　高負荷側の運転領域では、低セタン価燃料を燃焼室の全域に分布させると共に、高セタン価燃料をキャビティに配置し、燃焼室の燃焼が圧縮行程の終点後にキャビティから始まる燃焼法を用いることを特徴とする燃焼制御方法。
2. 　低負荷側の運転領域で、圧縮行程において、高セタン価燃料の濃度は、燃焼室の外周部で中心部より高くし、また、高セタン価燃料と低セタン価燃料との合計燃料の濃度も燃焼室の外周部で中心部より高くすることを特徴とする請求項１に記載の燃焼制御方法。
3. 　低負荷側の運転領域で、圧縮行程において、燃焼室の全域に低セタン価燃料が分布した状態で、燃焼室の外周部のスキッシュエリアに高セタン価燃料を噴射し、スキッシュエリアの高セタン価燃料をスキッシュ流でピストン頂面中央部のキャビティに流入させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼制御方法。
4. 　キャビティは、最大径に対する最大深さの比Ｌｈ／Ｌｄが０．２以上で０．８以下であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の燃焼制御方法。
5. 　低負荷側の運転領域で、圧縮行程において、低セタン価燃料の濃度は、燃焼室の中心部で外周部より高くすることを特徴とする請求項２に記載の燃焼制御方法。
6. 　低負荷側の運転領域で負荷が増加すると、圧縮行程において、低セタン価燃料の濃度は、燃焼室の中心部で外周部より高い山形分布にし、又は、その山形分布の高低度合いを大きくして、高セタン価燃料と低セタン価燃料との合計燃料の濃度は、燃焼室の中心部と外周部で差のない均一分布になる方向に制御することを特徴とする請求項２又は５に記載の燃焼制御方法。
7. 　低負荷側の運転領域で、高セタン価燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量、噴射率や噴霧形状などの噴射特性を変更することによって、燃焼室の高セタン価燃料の分布状態を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃焼制御方法。
8. 　低負荷側の運転領域で、高セタン価燃料の噴射時期は、−３０°ATDC以前であることを特徴とする請求項３又は７に記載の燃焼制御方法。
9. 　低負荷側の運転領域で、負荷が増加するに従って、燃焼室の高セタン価燃料の割合を減少することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃焼制御方法。
10. 　低負荷側の運転領域で、燃焼室に排気の一部を還流し、負荷が増加するに従って、低セタン価燃料の供給量を増加すると共に、排気の還流率を増加することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃焼制御方法。
11. 　高負荷側の運転領域で、高セタン価燃料を、圧縮行程の終点近傍で、燃焼室の天井面中央部の燃料噴射弁からピストン頂面中央部のキャビティの側面と底面の隅角部に向けて噴射し、この高セタン価燃料が圧縮自己着火して発生した高温ガス塊をスキッシュ流などのガス流動でキャビティ内の低セタン価燃料中を流動させ、低セタン価燃料を急速燃焼することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の燃焼制御方法。
12. 　上死点に位置するキャビティの側面の最大径位置を通る垂直線と底面の最大深さ位置を通る水平線との交点と燃焼室天井面の高セタン価燃料噴射位置とを結ぶ仮想直線と、高セタン価燃料の噴射軸とがなす角度は、±１０度以内とすることを特徴とする請求項１１に記載の燃焼制御方法。
13. 　高負荷側の運転領域で、高セタン価燃料は、供給量を低セタン価燃料着火用の少量にし、低セタン価燃料は、供給量を負荷に応じた量にすることを特徴とする請求項１、１１又は１２に記載の燃焼制御方法。
14. 　上記の燃焼法と、高セタン価燃料は、供給量を低セタン価燃料着火用の少量にし、圧縮行程の終点近傍で噴射し、低セタン価燃料は、供給量を負荷に応じた量にする燃焼法とを使い分けることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の燃焼制御方法。　
15. 　上記の燃焼法と、低セタン価燃料は供給せず、高セタン価燃料は供給量を負荷に応じた量にして圧縮行程の終点近傍で噴射する燃焼法とを使い分けることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の燃焼制御方法。
16. 　請求項１〜１５のいずれかに記載の燃焼制御方法を実施する内燃機関であって、
    　低セタン価燃料の噴射弁を吸気通路又は燃焼室に、高セタン価燃料の噴射弁を燃焼室の天井面中央部に設け、燃焼室のピストンの頂面中央部にキャビティを、ピストンの頂面外周部上にスキッシュエリアを設けたことを特徴とする圧縮自己着火内燃機関。
17. 　燃料槽は、低セタン価燃料貯蔵部と高セタン価燃料貯蔵部に区画し、両貯蔵部を区画する仕切り部を移動可能にして両貯蔵部の容積比を変更可能にしたことを特徴とする請求項１６に記載の圧縮自己着火内燃機関。
18. 　単一の燃料から低セタン価燃料と高セタン価燃料を分離する燃料分離装置を設け、燃料分離装置で分離した低セタン価燃料と高セタン価燃料を用いる構成にしたことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の圧縮自己着火内燃機関。

Images