JP2008157075A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】 第１燃料噴射に続いて第２燃料噴射を行う内燃機関において、第１燃料噴射により生成する混合気の空燃比を最適化することで、広い運転領域で安定した燃焼を可能にする。
【解決手段】 第１インジェクタ２０から吸気ポート１６内（あるいは燃焼室１５内）に噴射される燃料により生成する混合気の空燃比を２８ないし３８に設定したので、第２インジェクタ２１から燃焼室１５内に噴射される燃料が点火プラグ２２の周囲で火花着火して開始される１段目の燃焼に伴う温度圧力上昇時において、２段目の圧縮自着火燃焼が開始される時期が最適化されてノッキングや失火のない安定した燃焼状態を得ることができ、広い運転負荷領域でＮＯX の排出量の低減や燃料消費量の低減が可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸気ポート内あるいは燃焼室内に燃料を噴射する第１インジェクタと、前記第１インジェクタによる燃料噴射に続いて前記燃焼室内に燃料を噴射する第２インジェクタと、前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグとを備えた内燃機関に関する。
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備え、燃焼室内に比較的にリーンな混合気を形成する第１の燃料噴射と、点火プラグの周囲に比較的にリッチな混合気を形成する第２の燃料噴射とを行う筒内直噴式エンジンにおいて、第２の燃料噴射により生成される混合気に火花着火することで１段目の燃焼を行い、１段目の燃焼による燃焼室内の温度圧力上昇により周囲の混合気が圧縮自着火することで２段目の燃焼を行うものが、下記特許文献１により公知である。
特開２００３−４９６５１号公報
しかしながら上記従来のものは、第１の燃料噴射により形成される混合気の空燃比が必ずしも適切であるとは言えず、運転負荷が増加したときには空燃比がリッチ化することでノッキングが発生したり、運転負荷が減少したときには空燃比がリーン化することで圧縮自着火が行われずに失火が発生することがあり、そのために運転範囲が制限されてＮＯX 排出量の低減や燃料消費量の低減が充分に行われない可能性があった。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、第１燃料噴射に続いて第２燃料噴射を行う内燃機関において、第１燃料噴射により生成する混合気の空燃比を最適化することで、広い運転領域で安定した燃焼を可能にすることを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、吸気ポート内あるいは燃焼室内に燃料を噴射する第１インジェクタと、前記第１インジェクタによる燃料噴射に続いて前記燃焼室内に燃料を噴射する第２インジェクタと、前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグとを備えた内燃機関において、前記第１インジェクタの燃料噴射により前記燃焼室に生成する混合気の空燃比を２８ないし３８に設定したことを特徴とする内燃機関が提案される。
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第２インジェクタの燃料噴射量は一定値に固定され、前記第１インジェクタの燃料噴射量は要求運転負荷に応じて変更されることを特徴とする内燃機関が提案される。
また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記要求運転負荷が変更されたとき、筒内残留ガス量と新気ガス量との割合を排気バルブの閉時期により制御することを特徴とする内燃機関が提案される。
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記第２インジェクタと前記点火プラグとの距離は、シリンダの内径の１／６ないし１／４に設定されることを特徴とする内燃機関が提案される。
請求項１の構成によれば、第１インジェクタから吸気ポート内あるいは燃焼室内に噴射される燃料により生成する混合気の空燃比を２８ないし３８に設定したので、第２インジェクタから燃焼室内に噴射される燃料が点火プラグの周囲で火花着火して開始される１段目の燃焼に伴う温度圧力上昇時において、２段目の圧縮自着火燃焼が開始される時期が最適化されてノッキングや失火のない安定した燃焼状態を得ることができ、広い運転負荷領域でＮＯX の排出量の低減や燃料消費量の低減が可能になる。
また請求項２の構成によれば、第２インジェクタの燃料噴射量を一定値に固定し、第１インジェクタの燃料噴射量を要求運転負荷に応じて変更するので、要求運転負荷の変更に伴って燃焼室に吸入される新気ガスの量が変化しても混合気の空燃比を２８ないし３８に維持することができる。
また請求項３の構成によれば、要求運転負荷の変更に伴って筒内残留ガス量と新気ガス量との割合を排気バルブの閉時期により制御するので、要求運転負荷の変更に伴って第１インジェクタの燃料噴射量が変化しても、新気ガスの割合を変化させることで混合気の空燃比を２８ないし３８に維持することができる。
また請求項４の構成によれば、第２インジェクタと点火プラグとの距離をシリンダの内径の１／６ないし１／４に設定したので、第２インジェクタの燃料噴き終り時期を従来よりも遅く設定してＮＯX の排出量の低減や燃料消費量の低減を図っても燃料噴霧の貫徹力を確保することができ、これにより点火プラグの周囲の空燃比を充分に高めて失火の発生や燃焼の不安定化を防止することができる。
以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。
図１〜図５は本発明の実施の形態を示すもので、図１は内燃機関の燃焼室周辺の構造を示す図、図２は燃料噴射口が形成されたインジェクタのプレートを示す図、図３は内燃機関の運転負荷の変化に対する燃料噴射量、筒内ガス量および空燃比の変化を示すグラフ、図４は第１燃料噴射後の空燃比の変化に対する図示ＮＯX 排出量率および図示燃料消費率の変化を示すグラフ、図５は第２燃料噴射の噴き終わり時期の変化に対するリード噴霧貫徹力、燃料消費率およびＮＯX 排出量の変化を示すグラフである。
図１に示すように、内燃機関はシリンダブロック１１に形成したシリンダ１２に摺動自在に嵌合するピストン１３を備えており、ピストン１３の頂面とシリンダヘッド１４の下面間に燃焼室１５が区画される。シリンダヘッド１４には吸気ポート１６および排気ポート１７が形成されており、吸気ポート１６が燃焼室１５に開口する吸気開口が吸気バルブ１８で開閉され、排気ポート１７が燃焼室１５に開口する排気開口が排気バルブ１９で開閉される。吸気ポート１６の吸気開口に近い位置には燃焼室１５を指向する第１インジェクタ２０が配置され、燃焼室１５の頂部中央にはシリンダ軸線に沿う第２インジェクタ２１が配置される。また燃焼室１５の排気バルブ１９寄りの位置には点火プラグ２２が配置される。
吸気ポート１６に設けられた第１インジェクタ２０は圧縮上死点の３２０ｄｅｇ手前において燃料を噴射し、燃焼室１５に設けられた第２インジェクタ２１は圧縮上死点の４０ｄｅｇ手前以降、実施の形態では圧縮上死点の４０ｄｅｇ〜２０ｄｅｇ手前において燃料を噴射する。第２インジェクタ２１はシリンダ軸線の周囲に円錐状に燃料を噴射するが、その燃料噴射密度は円周方向に不均一であり、点火プラグ２２を指向する方向の燃料噴射密度が他の方向よりも高く設定される。
図２に示すように、第２インジェクタ２１は複数個（例えば、１２個）の燃料噴射口２３…が形成されたプレート２４を備えており、それらの燃料噴射口２３…は第２インジェクタ２１の燃料噴射中心線Ａを囲む円周上に配置され、かつ各燃料噴射口２３…の燃料噴射軸Ｌは燃料噴射中心線Ａに対して円錐状に傾斜するように配置される。よって複数の燃料噴射口２３…から燃料噴射軸Ｌに沿って噴射された燃料は燃焼室１５内に円錐状に拡散する。このとき、複数の燃料噴射口２３…のうち、点火プラグ２２の電極を指向する１個の燃料噴射口２３の直径を残りの燃料噴射口２３…の直径よりも大径に設定することで、点火プラグ２２近傍の燃料密度を他の部分の燃料密度よりも高めることができる。
従って、この第２インジェクタ２１が噴射する燃料により、燃焼室１５の点火プラグ２２の周辺に空燃比が部分的に高いリッチ混合気領域Ｒ１（図１における燃焼室１５内の斜線部分）が形成され、燃焼室１５のその他の部分に空燃比が低いリーン混合気領域Ｒ２（図１における燃焼室１５内の白抜き部分）が形成される。
点火プラグ２２の近傍の燃料密度を他の部分の燃料密度よりも高める手法は、これ以外にも種々存在する。例えば、複数の燃料噴射口２３…の配置間隔を円周方向に不均一にし、点火プラグ２２の電極の近傍を指向する複数個の燃料噴射口２３…を密に配置しても良い。また点火プラグ２２の電極を指向する１個の燃料噴射口２３の径方向外側および内側に点火プラグ２２の電極の近傍を指向する追加の燃料噴射口２３，２３を配置しても良い。また第２インジェクタ２１で点火プラグ２２を指向する方向にのみ燃料を噴射することで、点火プラグ２２の近傍の燃料密度を他の部分の燃料密度よりも高めても良い。
本実施の形態では、第２インジェクタ２１の先端の燃料噴射ノズルと点火プラグ２２の先端の電極との距離は、従来のものの３０ｍｍ〜４０ｍｍよも小さい１４ｍｍ〜２１ｍｍに設定される。即ち、前記距離ｄはシリンダ１２の内径Ｄの１／６ないし１／４に設定される。
しかして、第１インジェクタ２０が噴射した燃料により燃焼室１５の大部分の領域に空燃比が均質で理論空燃比よりもリーンなリーン混合気領域Ｒ２が形成されるとともに、第２インジェクタ２１が噴射した燃料により点火プラグ２２の近傍にリッチ混合気領域Ｒ１が形成される。点火プラグ２２が発生する火花を種火として点火プラグ２２の近傍のリッチ混合気領域Ｒ１の混合気を火花着火させると、リッチ混合気領域Ｒ１の火炎伝播による熱でリーン混合気領域Ｒ２の混合気が圧縮自着火する。
図３（Ａ）に示すように、燃焼室１５に設けた第２インジェクタ２１が圧縮上死点の３５ｄｅｇ〜１８ｄｅｇ手前において行う燃料噴射（第２燃料噴射）の噴射量は、内燃機関の運転負荷に関わらずに一定である。それに対して、吸気ポート１６に設けた第１インジェクタ２０が圧縮上死点の３２０ｄｅｇ手前において行う燃料噴射（第１燃料噴射）の噴射量は、内燃機関の運転負荷の増加に応じて増加するが、図３（Ｃ）に示すように、この第１燃料噴射により燃焼室１５に生成する混合気の空燃比は２８〜３８の範囲内の所定値（例えば、３３）設定される。図３（Ｃ）において、運転負荷に関わらずに一定の燃料を噴射する第２燃料噴射後の空燃比が運転負荷の増加に応じて増加するのは、運転負荷の増加に応じて新気ガスの吸入量が増加するために、空気に対する燃料の比率が相対的に減少するからである。
第１燃料噴射量が内燃機関の運転負荷の増加に応じて増加しても空燃比を所定値３３に維持するために、運転負荷の増加に応じて筒内の残留ガス量を減少させて新気ガス量を増加させる制御が行われる。具体的には、運転負荷の増加に応じて排気バルブ１９の閉弁時期を遅らせることで筒内に残留する残留ガスを減少させ、その減少分だけ筒内に吸入される新気ガスを増加させて空燃比を所定値３３に維持することができる。
図４（Ａ）に示すように、空燃比が２９のときに図示ＮＯX 排出量率は最小になり、空燃比が２９から増加しても減少しても図示ＮＯX 排出量率は増加する。そして空燃比が２５を下回るとノッキングが発生する可能性があり、空燃比が５８を上回ると失火が発生する可能性がある。また図４（Ｂ）に示すように、空燃比が３７のときに図示燃料消費率が最小になり、空燃比が３７から増加しても減少しても図示燃料消費率は増加する。従って、第１燃料噴射による空燃比を２８〜３８の最適範囲に設定することで、ＮＯX の排出量低減と燃料消費量の低減とを可能にすることができる。
その理由は、第２インジェクタ２１から噴射された燃料により点火プラグ２２の周囲に生成したリッチ混合気領域Ｒ１が火花着火して１段目の燃焼が開始されて温度圧力が上昇する過程で、第１インジェクタ２０から噴射された燃料により燃焼室１５内に生成したリーン混合気領域Ｒ２が圧縮自着火して２段目の燃焼が開始される時期が、そのリーン混合気領域Ｒ２の空燃比を２８〜３８に設定することで最適化されるため、ノッキングや失火のない安定した燃焼状態を得て広い運転負荷領域でＮＯX の排出量低減や燃料消費量の低減が可能になると考えられる。
更に、本実施の形態によれば、第２インジェクタ２１の先端の燃料噴射ノズルと点火プラグ２２の先端の電極との距離ｄを、シリンダ１２の内径Ｄの１／６ないし１／４に設定したことで、以下のような作用効果を達成することができる。
第２インジェクタ２１から噴射される燃料のうち、点火プラグ２２の方向を指向する噴霧は、点火プラグ２２の位置に達すると点火プラグ２２の火花により着火するが、その着火の時期（つまり第２燃料噴射の噴き終りの時期）が圧縮上死点に対して早いほどＮＯX の排出量が増加することが知られている。しかしながら、ＮＯX の排出量を減少させるべく、第２インジェクタ２１からの第２燃料噴射の時期を圧縮上死点に近づくように遅らせると、図５（Ａ）に示すように、筒内圧力の増加によって点火プラグ２２の方向を指向する噴霧の貫徹力が低下してしまい、点火プラグ２２に届き難くなって失火が発生する可能性がある。
本実施の形態では、従来に比べて点火プラグ２２を第２インジェクタ２１に接近させ、第２インジェクタ２１の先端の燃料噴射ノズルと点火プラグ２２の先端の電極との距離ｄをシリンダ１２の内径Ｄの１／６ないし１／４に設定したので、従来は圧縮上死点の５５ｄｅｇ〜４０ｄｅｇ手前であった第２燃料噴射の噴き終わり時期を圧縮上死点の４０ｄｅｇ〜２０ｄｅｇ手前まで遅らせてＮＯX の排出量を低減しても、点火プラグ２２の方向を指向する噴霧を点火プラグ２２に確実に届かせて失火の発生や燃焼の不安定化を防止することができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。
例えば、実施の形態では第１燃料噴射を吸気ポート１６に設けた第１インジェクタ２０により行い、第２燃料噴射を燃焼室１５に設けた第２インジェクタ２１により行っているが、第１インジェクタ２０を廃止して第２インジェクタ２１だけで第１燃料噴射および第２燃料噴射を行っても良い。
また実施の形態では第２インジェクタ２１の第２燃料噴射が点火プラグ２２を指向する方向に余分に燃料を噴射する不均一噴射を行っているが、図６に示すように、第２インジェクタ２１のプレート２４の複数個の燃料噴射口２３…を燃料噴射中心線Ａを囲む円周上に均等に配置し、かつ各燃料噴射口２３…の直径を同一にすることで、第２燃料噴射を円周方向に均一に燃料を噴射する均一噴射としても良い。
内燃機関の燃焼室周辺の構造を示す図 燃料噴射口が形成されたインジェクタのプレートを示す図 内燃機関の運転負荷の変化に対する燃料噴射量、筒内ガス量および空燃比の変化を示すグラフ 第１燃料噴射後の空燃比の変化に対する図示ＮＯX 排出量率および図示燃料消費率の変化を示すグラフ 第２燃料噴射の噴き終わり時期の変化に対するリード噴霧貫徹力、燃料消費率およびＮＯX 排出量の変化を示すグラフ 均一噴射を行うためのインジェクタのプレートを示す図
符号の説明
１２ シリンダ
１５ 燃焼室
１６ 吸気ポート
１９ 排気バルブ
２０ 第１インジェクタ
２１ 第２インジェクタ
２２ 点火プラグ
ｄ 第２インジェクタと点火プラグとの距離
Ｄ シリンダの内径

Claims (4)

  1. 吸気ポート（１６）内あるいは燃焼室（１５）内に燃料を噴射する第１インジェクタ（２０）と、前記第１インジェクタ（２０）による燃料噴射に続いて前記燃焼室（１５）内に燃料を噴射する第２インジェクタ（２１）と、前記燃焼室（１５）内の混合気に点火する点火プラグ（２２）とを備えた内燃機関において、
    前記第１インジェクタ（２０）の燃料噴射により前記燃焼室（１５）に生成する混合気の空燃比を２８ないし３８に設定したことを特徴とする内燃機関。
  2. 前記第２インジェクタ（２１）の燃料噴射量は一定値に固定され、前記第１インジェクタ（２０）の燃料噴射量は要求運転負荷に応じて変更されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記要求運転負荷が変更されたとき、筒内残留ガス量と新気ガス量との割合を排気バルブ（１９）の閉時期により制御することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関。
  4. 前記第２インジェクタ（２１）と前記点火プラグ（２２）との距離（ｄ）は、シリンダ（１２）の内径（Ｄ）の１／６ないし１／４に設定されることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の内燃機関。
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