JP2007270641A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ装置を用いることなくＮＯｘを低減できる内燃機関を提供する。
【解決手段】ピストン(24)が１サイクルにおいて順に第１及び第２圧縮上死点として圧縮上死点を２回到来させるように構成されたピストン駆動機構(28)と、ピストンの１サイクルにおいて、第１圧縮上死点に到達する前に第１燃料噴射を、第１燃料噴射後の第２圧縮上死点近傍で第２燃料噴射を燃料噴射弁(16)にそれぞれ行わせる燃料噴射制御手段(46)とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に係り、詳しくは、コモンレール式の燃料噴射装置に好適な内燃機関に関する。

排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）は、気筒内の火炎温度の上昇によって生成される。従って、燃焼温度を下げることによりＮＯｘの生成は抑制される。このＮＯｘを低減させる方法の一例としては、排ガス再循環（ＥＧＲ）装置があり、燃焼が緩慢になって燃焼温度を下げられる。
ところで、ＥＧＲ装置を用いてＮＯｘを低減させる場合には、吸入側に導入する排ガス（ＥＧＲガス）の温度を下げてＰＭの生成を抑制する必要がある。そこで、ＥＧＲクーラを設置する技術が知られている（特許文献１）。
特開平１０−２２５６号公報

ところで、排ガス中のＮＯｘを低減させるには大量のＥＧＲガスが必要となるが、このＥＧＲガスを上記のようにＥＧＲクーラで冷却すると以下の問題が生ずる。
まず、車両のヒートバランスの確立が困難になる。冷却系の冷却能力の大半が使用され、ラジエータでのエンジン冷却水の冷却が不充分となり、エンジンルームの過熱をきたすからである。また、排気後処理装置が活性化され難くなる。排気後処理装置に流入する排ガス中の熱量が減少するからである。

このように、ＥＧＲ装置を用いてＮＯｘの生成を抑制する場合には何等かの措置が必要になるが、従来の技術はこの点については格別な配慮がなされておらず、依然として課題が残されている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、ＥＧＲ装置を用いることなくＮＯｘの生成を抑制可能な内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関は、エンジンのシリンダに装着されたピストンが１サイクルにおいて順に第１及び第２圧縮上死点として圧縮上死点を２回到来させるように構成されたピストン駆動機構と、ピストンの１サイクルにおいて、第１圧縮上死点に到達する前に第１燃料噴射を、第１燃料噴射後の第２圧縮上死点近傍で第２燃料噴射を燃料噴射弁にそれぞれ行わせる燃料噴射制御手段とを具備したことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、燃料噴射制御手段は、第１燃料噴射による燃料噴射期間の間は燃料の予混合期間を設けることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、機構は、第１圧縮上死点のピストン位置に比して第２圧縮上死点のピストン位置を低く調整することを特徴としている。
更にまた、請求項４記載の発明では、燃料噴射制御手段は、第１燃料噴射による熱発生率が最小となる所定の時期に第２燃料噴射を行うことを特徴としている。

また、請求項５記載の発明では、機構は、一端がピストンに枢支されたロッド部材、一端がロッド部材の他端に枢支され他端がクランクケースに枢支されたレバー部材、一端がロッド部材の他端に枢支され他端がクランク軸に枢支されたリンク部材から構成されることを特徴としている。

従って、請求項１、５記載の本発明の内燃機関によれば、ピストンの１サイクルで圧縮上死点が２回到来することにより、第１燃料噴射による燃焼によって気筒内酸素の一部が消費されるため、第２燃料噴射時にはその気筒内が低酸素濃度状態となる。よって、第２燃料噴射による燃焼は、ＥＧＲ装置を用いなくても燃焼が緩慢になって燃焼温度が低下するため、ＮＯｘの生成が抑制される。

また、請求項２記載の発明によれば、第１燃料噴射による燃焼が予混合燃焼にされているので、第１燃料噴射による燃焼でもＮＯｘの生成が抑制される。この結果、排ガス中のＮＯｘがより一層低減される。
更に、請求項３記載の発明によれば、第２圧縮上死点は第１圧縮上死点よりもピストン位置が低くなることにより、第２圧縮上死点における圧縮比が低減されて気筒内の温度上昇が抑制され、第２の燃料噴射についても予混合期間が確保されることにより、ＮＯｘ及びスモークの生成が更に抑制される。

更にまた、請求項４記載の発明によれば、第１燃料噴射による熱発生率が最小となってから第２燃料噴射が行われるため、第２燃料噴射による燃焼は気筒内温度が低減された状態で行われ、ＮＯｘの生成が確実に抑制される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置が適用されるディーゼル機関（以下、エンジンという）１を備えたエンジンシステム構成図である。
同図に示されるように、エンジン１の各気筒（シリンダ）２には燃料噴射弁１６が配設されており、また、各気筒２には吸気弁６の開弁により燃焼室４に新気（吸入空気）を導入させる吸気通路８と、排気弁１８の開弁により燃焼室４からの排ガスを導出させる排気通路２０とが接続されている。

この吸気通路８の上流には、過給機１４が介装され、更に上流側にはエアクリーナ（図示せず）が接続されている。また、吸気通路８には、インタークーラ１２が介装されている。このインタークーラ１２は、吸気通路８内を通る新気を冷却してその給気密度を高めている。
排気通路２０には排気浄化装置２２が配設されている。そして、エアクリーナからの新気は、過給機１４を介して吸気通路８に入ってインタークーラ１２に達した後、各気筒２の燃焼室４内に導かれる。そして、燃焼室４には、燃料噴射弁６からの燃料が噴射され、この燃料の燃焼に伴って、エンジン１の気筒２に装着されたピストン２４が作動し、燃焼室４内の排ガスは排気通路２０に排出される。

ここで、ピストン２４は、ピストンリンク機構（ピストン駆動機構）２８を介してクランクケース３０、クランク軸３２及びフライホイール３４に接続されており、このピストン２４の作動による往復運動は、ピストンリンク機構２８によって、クランク軸３２及びフライホイール３４の回転運動に変換されて伝達される。
このピストンリンク機構２８は、一端がピストン２４にピストンピン２４ａで枢支されたコネクティングロッド（ロッド部材）３６を備えている。このロッド３６の他端は枢軸３６ａを介してリンク（リンク部材）４０の一端と連接され、このリンク４０の他端はクランク軸３２のクランクピン３２ａに枢支されている。更に、この枢軸３６ａにはレバー（レバー部材）３８一端が枢支され、このレバー３８の他端はクランクケース３０に固定される軸受ブラケット３０ａの枢軸３０ｂに枢支されている。すなわち、ピストン２４側のロッド３６とクランク軸３２側のリンク４０とが枢軸３６ａで連接され、この枢軸３６ａがレバー３８で枢支されてロッド３６及びリンク４０の変位が規制されている。

また、ピストンリンク機構２８の上記各連接部材３６、３８、４０の長さは、１サイクル中に圧縮上死点が２回到来するように調整されている。詳しくは、図２（ａ）に示されるように、ピストン２４の１サイクルの作動において、圧縮上死点が第１上死点（第１圧縮上死点）ａ、第２上死点（第２圧縮上死点）ｂの順に２回到来しており、更にこの第１上死点のピストン位置に比して第２上死点が低くなるように予め各連接部材の長さが調整されている。

また、フライホイール３４にはクランク角センサ４２が配設されている。また、センサ４２の他、エンジン１の運転状態を検出する各種センサがＥＣＵ２６の入力側に電気的に接続されている。これに対しＥＣＵ２６の出力側には、燃料噴射弁１６等の各種アクチュエータが電気的に接続されている。
ＥＣＵ２６には、燃料噴射信号を出力する燃料噴射制御部（燃料噴射制御手段）４６が備えられている。この制御部４６で実際の燃料噴射時期及び噴射量が決定される。

以下、上記したピストンリンク機構２８及び燃料噴射弁１６の作動について説明する。
図２は、ピストン２４の位置と熱発生率との関係を示す図である。
同図に示されるように、ピストン２４の圧縮行程が開始されてピストン２４の位置が下死点から上方に向けて移動し、第１上死点ａのＢＴＤＣ約１００〜４０°ＣＡ付近に達したときに、燃料噴射弁１６にて第１噴射（第１燃料噴射）が実施される。続いて、更なるピストン２４の圧縮行程の進行に伴い、第１上死点ａ手前にて所定の雰囲気（約８００Ｋ、２５気圧程度）が気筒２内に形成されると、燃料が自然着火して燃焼が開始される。そして、この第１噴射による燃焼の熱発生率が上昇し、第１上死点ａ近傍で熱発生率はピークを迎える。なお、このときのピストン２４による圧縮比は約１５〜１８程度になる。

この点を詳述すると、図３に示されるように、予混合燃焼領域（図中、破線で示す）では、拡散燃焼領域（図中、実線で示す）での燃焼と異なりＮＯｘ及びＰＭの生成領域が回避されることがわかる。すなわち、予混合によって気筒２内の当量比分布が均一になるため、相対的な燃焼温度が低くなる。
再び図２に戻り、第１噴射による予混合燃焼が終了すると、熱発生率が低下するとともにピストン２４は第１上死点ａから下降点ｃまで下方に向けて移動する。ここで、ピストンリンク機構２８により、ピストン２４は再び上方に向けて移動して第２上死点（第２圧縮上死点）ｂに到達する。この第２上死点ｂのピストン２４の位置は第１上死点ａのそれよりも若干低い位置に構成されている。

詳しくは、第１噴射による燃焼期間が第１上死点ａのＡＴＤＣ６０°ＣＡまでに終了すると仮定すると、このときのピストン位置がピストン２４の圧縮工程におけるフルストロークの３／４に到達していることから、フルストロークでの圧縮比を仮に１７とすると、ＡＴＤＣ６０°ＣＡでの圧縮比は約３．４として算出される。このことから第２上死点ｂでのピストン２４による圧縮比は、少なくとも３程度は確保され、発明者の実験により約３〜１５程度の範囲内とされる。また、第１上死点ａでの気筒２内の温度を約１６００Ｋと仮定すると、第２上死点ｂでの気筒２内の温度は約９９０Ｋとして算出され、上記した燃料の自然着火が可能な雰囲気温度８００Ｋを超え、第２上死点ｂにおいても燃焼が行われる。

次に、第２上死点ｂ近傍、詳しくは、第２上死点ｂのＢＴＤＣ約１５〜ＡＴＤＣ５°ＣＡ付近にピストン２４が到達すると、第２噴射（第２燃料噴射）が実施され、更に気筒２内に着火に至る雰囲気が形成されると燃焼が開始される。好ましくは、図２（ｂ）に示されるように、熱発生率が最小、若しくはゼロになると推定される所定の時期に第２噴射が実施される。この所定の時期には、気筒２内の温度が低減され、且つ第１噴射による燃焼が終了して気筒２内の酸素濃度が極力低減された状態となっている。なお、これら第１、第２噴射で噴射する燃料噴射量は、エンジン１の運転状態に応じて異なるが、例えば、およそ７対３程度になるよう調整される。

次に、この第２噴射終了後、ピストン２４は、第２上死点ｂから下死点まで下方に向けて移動して膨張行程を終了する。そして、排気弁１８が開弁され、ピストン２４は再び上方に向けて移動しながら燃焼室４からの排ガスを排出する排気行程を経て、その１サイクルが完了される。その後、吸気弁６を開弁して吸気行程に入り、これら圧縮、燃焼、膨張、排気の行程が順次繰り返される。

以上のように、本実施形態では、第１噴射による燃焼によって気筒２内の酸素の一部が消費され、且つ第１噴射による燃焼後の排ガスを含んだ雰囲気において第２の燃焼がなされる。よって、第２噴射による燃焼は、燃焼が緩慢になって燃焼温度が低下するためＮＯｘの生成が抑制され、最終的に車外に排出される排ガス中のＮＯｘを大幅に低減することができる。また、吸入行程においてＥＧＲガスの導入が不要となるため、ＥＧＲを実施したときに比して新気の吸入空気量が増加し、気筒２内では完全燃焼が行われて排ガス中のＰＭの生成をも抑制可能となる。このように、ＥＧＲを実施しなくとも互いにトレードオフの関係にあるＮＯｘ及びＰＭの両方の抑制が実現可能となる。

また、ＥＧＲ装置及びＥＧＲクーラを設置する必要がないため、エンジンシステムのコストが低減され、エンジン１の搭載性が向上するとともに、新気の吸入空気量が増加して燃料噴射量を増大できるため、エンジン出力も増大可能となる。
更に、ＥＧＲクーラが不要となってＥＧＲガスの冷却も行われないため、冷却系の負荷が軽減されて車両のヒートバランスが改善するとともに、ＥＧＲクーラを設けた場合に比して排ガスが高温となって排気後処理触媒の活性化が促進される。

更にまた、第１噴射から第１上死点ａに至るまで所定の期間が確保されて気筒２内では燃料と新気との混合が好適に促進され、均一な混合気が形成されて燃料の予混合燃焼が行われる。よって、第１噴射による燃焼においてもＮＯｘ及びＰＭの発生が抑制され、排ガス中のＮＯｘ及びＰＭ低減に更に寄与する。
また、第２圧縮上死点は第１圧縮上死点よりもピストン位置が低くなることにより、第２上死点ｂは第１上死点ａよりも圧縮比が小さくなるため、第２圧縮上死点における気筒２内の温度上昇が抑制され、ＮＯｘの生成が更に抑制される。

更に、第１噴射による熱発生率が最小、若しくはゼロとなり、気筒２内の酸素濃度が低下し切った時点で第２噴射が行われるため、第２噴射による燃焼は燃焼速度が最も抑制された低ＮＯｘ燃焼となる。また、このときの気筒２内の温度は低下しているため、早すぎる着火が防止されて極力予混合期間を設けた燃焼になるとともに、燃料噴射量も第１噴射に比して大幅に少ないため、燃焼温度が低く且つ当量比が小さくなる。よって、第２噴射では、ＰＭの生成が更に抑制され、結果としてＮＯｘ及びＰＭ両方の更なる抑制が可能となる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、気筒２内の温度を直接測定可能な温度センサを別途配設して燃焼温度をリアルタイムに測定し、この検出信号を制御部４６に入力しても、気筒内温度が低下してから第２噴射を行うことは可能であり、同様にＮＯｘ及びＰＭの生成が抑制できる。

また、上記した第１、第２噴射の燃料噴射時期に対応するクランク角度、及び第１、第２噴射で噴射する燃料噴射量比はあくまでも目安であって上記数値に限定されるものではなく、第１、第２上死点ａ、ｂでのピストン２４の圧縮比の数値を含めたピストンリンク機構２８の調整と相俟って、エンジン１の運転状態に応じて最適値に調整されるものである。

更に、上記実施形態では、第１噴射時期を予混合燃焼の可能な時期としているが、これに限られるものではなく、予混合としないで第１、第２噴射を行っても第１、第２上死点ａ、ｂが上記所定の時期に到来する限り気筒２内の温度上昇が抑制されるため、ＮＯｘの発生や予混合期間不足によるスモークの増大を回避できる。
更にまた、上記実施形態では、ピストン駆動機構に、ロッド３６及びリンク４０の変位を規制するピストンリンク機構２８を採用しているが、この機構に限らず、ピストン２４が、１サイクルにおいて上死点を２回到来させ、２回目のピストン位置を１回目に比して低くさせれば良く、例えばクランク軸２４を遊星歯車にするとレバー３８を要せずとも同様のピストン駆動とすることは可能であり、上記構成とは異なる機構を用いても上記と同様の効果が得られる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置が適用されるエンジンシステム構成図である。 （ａ）は図１のピストン位置とクランク角度との関係図である。（ｂ）は（ａ）のクランク角度に対応した燃料噴射時期と熱発生率との関係図である。 予混合燃焼及び拡散燃焼領域の分布を当量比及び燃焼温度で示した図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 気筒（シリンダ）
１６ 燃料噴射弁
２４ ピストン
２８ ピストンリンク機構（ピストン駆動機構）
３０ クランクケース
３２ クランク軸
３６ コネクティングロッド（ロッド部材）
３８ レバー（レバー部材）
４０ リンク（リンク部材）
４６ 燃料噴射制御部（燃料噴射制御手段）

Claims (5)

1. エンジンのシリンダに装着されたピストンが１サイクルにおいて順に第１及び第２圧縮上死点として圧縮上死点を２回到来させるように構成されたピストン駆動機構と、
   前記ピストンの１サイクルにおいて、前記第１圧縮上死点に到達する前に第１燃料噴射を、該第１燃料噴射後の前記第２圧縮上死点近傍で第２燃料噴射を燃料噴射弁にそれぞれ行わせる燃料噴射制御手段と
   を具備したことを特徴とする内燃機関。
2. 前記燃料噴射制御手段は、前記第１燃料噴射による燃料噴射期間の間は燃料の予混合期間を設けることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記機構は、前記第１圧縮上死点のピストン位置に比して前記第２圧縮上死点のピストン位置を低く調整することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
4. 前記燃料噴射制御手段は、前記第１燃料噴射による熱発生率が最小となる所定の時期に前記第２燃料噴射を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記機構は、一端が前記ピストンに枢支されたロッド部材、一端が前記ロッド部材の他端に枢支され他端がクランクケースに枢支されたレバー部材、一端が前記ロッド部材の他端に枢支され他端がクランク軸に枢支されたリンク部材から構成されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。

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