JP2009108777A - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】自着火温度が高い燃料を良好に圧縮着火させ燃焼させる。
【解決手段】燃焼室５内に燃料噴射弁１０及び点火栓１１を配置する。主噴射を行うのに先立ち燃料噴射弁１０により補助噴射を行って燃焼室５内をほぼ一様に満たす混合気を形成すると共に混合気を点火栓１１により着火し、次いで燃料噴射弁１０により主噴射を行って主噴射による燃料を圧縮着火させる。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。

圧縮上死点周りで燃料を燃焼室内に噴射し、この燃料を圧縮着火させる圧縮着火機関が従来から知られている。ところが、天然ガス又は水素ガスのように自着火温度が高い燃料が用いられると、この燃料を圧縮着火させるのが困難となり、したがって圧縮着火機関において燃焼させるのが困難となる。

そこで、燃焼室内に燃料噴射弁及び点火栓を配置し、主噴射を行うのに先立ち燃料噴射弁により補助噴射を行って点火栓周りの燃焼室内に成層混合気を形成すると共にこの成層混合気を点火栓により着火し、次いで燃料噴射弁により主噴射を行ってこの主噴射による燃料を圧縮着火させるようにした内燃機関が公知である（特許文献１等参照）。すなわち、この内燃機関では、まず成層混合気を着火燃焼させることにより燃焼室内の温度及び圧力を上昇させ、それによって主噴射による燃料が自着火できるようにしている。

特開２００３−２５４１０５号公報

しかしながら、成層混合気が燃焼すると燃焼室内に既燃ガスが生じ、この既燃ガス中に含まれる酸素量は少なくなっている。したがって、この既燃ガス中に主噴射が行われると、主噴射による燃料を良好に燃焼させることができないおそれがある。この問題は補助噴射及び主噴射が同一の燃料噴射弁により行われる場合に特に深刻となる。

本発明によれば、燃焼室内に燃料噴射弁及び点火栓を配置し、主噴射を行うのに先立ち該燃料噴射弁により補助噴射を行って該燃焼室内をほぼ一様に満たす混合気を形成すると共に該混合気を該点火栓により着火し次いで該燃料噴射弁により主噴射を行って該主噴射による燃料を圧縮着火させる第１の燃焼を行うようにした圧縮着火式内燃機関が提供される。

自着火温度が高い燃料を良好に圧縮着火させ燃焼させることができる。

図１を参照すると、１は複数の気筒を備える機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は一対の吸気弁、７は一対の吸気ポート、８は一対の排気弁、９は一対の排気ポート、１０は単一の電子制御式燃料噴射弁、１１は点火栓をそれぞれ示す。この場合、図２に示されるように、一対の吸気弁６及び一対の排気弁８は平坦状のシリンダヘッド内壁面３ａのほぼ中央すなわち燃焼室５のほぼ中央を通る対称面Ｌ−Ｌに関しそれぞれ対称的に配置されており、燃料噴射弁１０及び点火栓１１はこの対称面Ｌ−Ｌ上に配置される。また、本発明による実施例では、燃料噴射弁１０は燃焼室５のほぼ中央に一つだけ配置され、点火栓１１は燃料噴射弁１０の周囲の燃焼室５に配置される。

再び図１を参照すると、各気筒の吸気ポート７は対応する吸気枝管１２を介してサージタンク１３に連結される。サージタンク１３は吸気ダクト１４を介して排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ｃの出口に連結され、コンプレッサ１５ｃの入口は吸気導入管１６を介してエアクリーナ１７に連結される。吸気ダクト１４内にはステップモータ１８によって駆動されるスロットル弁１９が配置され、吸気導入管１６内には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ２０が配置される。さらに、吸気ダクト１４周りには吸気ダクト１４内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置２１が配置される。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド２２及び排気管２３を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン１５ｔの入口に連結され、排気タービン１５ｔの出口は排気後処理装置２４に連結される。排気後処理装置２４は排気管２５を介して排気タービン１５ｔの出口に連結された触媒コンバータ２６を具備し、触媒コンバータ２６は排気管２７に連結される。触媒コンバータ２６内には例えばパティキュレートフィルタ２６ａに担持された触媒が配置される。また、排気管２５には空燃比を検出するための空燃比センサ２８が取り付けられる。さらに、触媒コンバータ２６にはパティキュレートフィルタ２６ａ前後の圧力差を検出するための差圧センサ２９が取り付けられる。

サージタンク１３と排気マニホルド２２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す。）通路３０を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３０内には電気制御式ＥＧＲ制御弁３１が配置される。

また、各燃料噴射弁１０は燃料分配管３２を介してコモンレール３３に連結される。このコモンレール３３は燃料供給管３４を介して燃料タンク３５に連結され、この燃料供給管３４内には電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３６が配置される。燃料タンク３５内の燃料は燃料ポンプ３６によってコモンレール３３内に供給され、コモンレール３３内に供給された燃料は各燃料分配管３２を介して燃料噴射弁１０に供給される。また、コモンレール３３にはコモンレール３３内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３７が取り付けられており、コモンレール３３内の燃料圧が目標燃料圧に一致するように燃料ポンプ３６の吐出量が制御される。燃料として、例えばガソリン、軽油、天然ガス、アルコールのような炭化水素、水素、又はこれらの混合物を用いることができる。また、機関本体１には機関冷却水温度を検出するための水温センサ３８が取り付けられる。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。エアフローメータ２０、空燃比センサ２５、差圧センサ２９、燃料圧センサ３７及び水温センサ３８の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５０が接続され、負荷センサ５０の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル４９の踏み込み量Ｌは要求負荷を表している。さらに、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。ＣＰＵ４４ではこれら出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁１０、点火栓１１、ステップモータ１８、ＥＧＲ制御弁３１、及び燃料ポンプ３６に接続される。

さて、本発明による実施例では、図３に示されるように、例えば機関負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅで表される機関運転領域があらかじめ定められた設定負荷率ＫＬＬ，ＫＬＭ，ＫＬＨ（ＫＬＬ＜ＫＬＭ＜ＫＬＨ）によって４つの運転領域に分割されており、これら運転領域において互いに異なる燃焼が行われる。ここで、機関負荷率ＫＬは機関負荷の全負荷に対する比率を表すものである。

機関負荷率ＫＬが低負荷側の設定負荷率ＫＬＬよりも低い運転領域ＳＦ（図３参照）では点火着火火炎伝播燃焼が行われる。すなわち、図４（Ｄ）に示されるように、例えば吸気行程初期に燃料噴射弁１０により主噴射ＭＦＩが行われ、したがって主噴射ＭＦＩによる燃料すなわち主噴射燃料が噴射され、燃焼室５内をほぼ一様に満たす均質混合気ないし予混合気が形成される。次いで、図４（Ｄ）にＳで示されるように均質混合気が例えば圧縮行程末期に点火栓１１により着火され、火炎伝播燃焼される。

また、機関負荷率ＫＬが高負荷側の設定負荷率ＫＬＨよりも高い運転領域ＣＤ（図３参照）では圧縮着火拡散燃焼が行われる。すなわち、図４（Ａ）に示されるように、例えば圧縮上死点（ＴＤＣ）周りにおいて燃料噴射弁１０により主噴射ＭＦＩが行われ、したがって主噴射燃料が噴射される。次いで、この主噴射燃料ＭＦは圧縮着火され、拡散燃焼される。

さらに、設定負荷率ＫＬが中負荷側の設定負荷率ＫＬＭよりも高く高負荷側の設定負荷率ＫＬＨよりも低い運転領域ＳＳＤ（図３参照）では、成層スパークアシスト拡散燃焼が行われる。すなわち、図４（Ｂ）に示されるように、まず例えば圧縮行程末期に燃料噴射弁１０により補助噴射ＡＦＩが行われ、したがって図５（Ａ）に示されるように補助噴射ＡＦＩによるわずかばかりの燃料すなわち補助噴射燃料ＡＦが噴射される。その結果、図５（Ｂ）に示されるように、点火栓１１周りの燃焼室５内に成層混合気ＳＧＭが形成される。この成層混合気ＳＧＭは点火栓１１によって着火可能であるが圧縮着火しない混合気であり、また、その周りが空気のみ又は空気及びＥＧＲガスのみによって囲まれている。次いで、図４（Ｂ）にＳでもって及び図５（Ｂ）に示されるように、成層混合気ＳＧＭが例えば圧縮行程末期に点火栓１１により着火され、主として火炎伝播燃焼される。次いで、図４（Ｂ）に示されるように、補助噴射燃料ＡＦの燃焼中又は燃焼後の圧縮ＴＤＣ周りにおいて燃料噴射弁１０により主噴射ＭＦＩが行われ、したがって図５（Ｃ）に示されるように主噴射ＭＦＩによる燃料すなわち主噴射燃料ＭＦが噴射される。この主噴射燃料ＭＦは次いで圧縮着火され、拡散燃焼される。このように、主噴射ＭＦＩを行うのに先立って補助噴射ＡＦＩを行い補助噴射燃料ＡＦを燃焼させると、燃焼室５内にいわゆる火種が形成され、したがって主噴射燃料ＭＦを確実に圧縮着火させ拡散燃焼させることができる。

一方、機関負荷率ＫＬが設定負荷率ＫＬＬよりも高く設定負荷率ＫＬＭよりも低い運転領域ＨＳＤ（図３参照）では、上述した点火着火火炎伝播燃焼とも圧縮着火拡散燃焼とも成層スパークアシスト拡散燃焼とも異なる新たな燃焼が行われる。この新たな燃焼では、図４（Ｃ）に示されるように、例えば吸気行程初期に燃料噴射弁１０により補助噴射ＡＦＩが行われ、したがって図６（Ａ）に示されるようにわずかばかりの補助噴射燃料ＡＦが噴射される。その結果、図６（Ｂ）に形成されるように燃焼室５内をほぼ一様に満たす均質リーン混合気ＨＳＧが形成される。次いで、図４（Ｃ）にＳでもって及び図６（Ｂ）に示されるように、成層混合気ＳＧＭが例えば圧縮行程末期に点火栓１１により着火され、火炎伝播燃焼される。次いで、図４（Ｃ）及び図６（Ｃ）に示されるように、補助噴射燃料ＡＦの燃焼中又は燃焼後の圧縮ＴＤＣ周りにおいて燃料噴射弁１０により主噴射ＭＦＩが行われる。この場合の主噴射燃料ＭＦは次いで圧縮着火され、拡散燃焼される。以下では、この新たな燃焼を均質スパークアシスト拡散燃焼と称することにする。このようにすると、燃焼室５内の温度及び圧力を高めることができるので、主噴射燃料ＭＦを確実に圧縮着火させ拡散燃焼させることができる。なお、均質スパークアシスト拡散燃焼における主噴射ＭＦＩの時期は例えば圧縮ＴＤＣ前４０度クランク角から圧縮ＴＤＣ後２０度クランク角程度が好ましい。

図７は各燃焼の熱効率ηの実験結果を示している。なお、図７においてＰｍはスロットル弁１９下流の吸気通路内の圧力である吸気圧であって機関負荷を表している。

図７に示されるように、吸気圧Ｐｍが低圧側のしきい値ＰｍＬよりも低い領域Ｉでは４つの燃焼のうち点火着火火炎伝播燃焼の熱効率ηＳＦが最も高くなり、吸気圧Ｐｍが低圧側のしきい値ＰｍＬよりも高く中圧側のしきい値ＰｍＭよりも低い領域ＩＩでは均質スパークアシスト拡散燃焼の熱効率ηＨＳＤが最も高くなり、吸気圧Ｐｍが中圧側のしきい値ＰｍＭよりも高く高圧側のしきい値ＰｍＨよりも低い領域ＩＩＩでは成層スパークアシスト拡散燃焼の熱効率ηＳＳＤが最も高くなり、吸気圧ＰｍがＰｍＨよりも高い領域ＩＶでは圧縮着火拡散燃焼の熱効率ηＳＳＤが最も高くなる。

そこで本発明による実施例では、これらしきい値ＰｍＬ，ＰｍＭ，ＰｍＨにほぼ対応する設定負荷率ＫＬＬ，ＫＬＭ，ＫＬＨをそれぞれあらかじめ設定しておき、実際の機関負荷率ＫＬに応じて点火着火火炎伝播燃焼、均質スパークアシスト拡散燃焼、成層スパークアシスト拡散燃焼又は圧縮着火拡散燃焼を行うようにしている。

ここで、領域ＩＩにおいて均質スパークアシスト拡散燃焼の熱効率ηＨＳＤが成層スパークアシスト拡散燃焼の熱効率ηＳＳＤよりも高いのは次の理由による。すなわち、均質スパークアシスト拡散燃焼では、補助噴射燃料ＡＦが均質リーン混合気の形で燃焼されるので、補助噴射燃料ＡＦの燃焼により生ずる既燃ガス中に多量の酸素が残存しており、このような既燃ガス中に主噴射ＭＦＩが行われても主噴射燃料ＭＦが良好に燃焼できるからである。また、均質スパークアシスト拡散燃焼では、筒内流動が少なく、冷却損失が少ないからである。

ところが、機関負荷が高くなると、均質混合気の燃焼でノッキングが生じ又は均質混合気の空燃比が可燃リーン限界を越えるおそれがあるので、点火時期を遅角する必要があり、その結果等容度が低下して均質スパークアシスト拡散燃焼の熱効率ηＨＳＤが低下する。これに対し、成層スパークアシストでは成層混合気のノッキングや可燃リーン限界を考慮する必要がなく、したがって領域ＩＩＩでは成層スパークアシスト拡散燃焼の熱効率ηＳＳＤが均質スパークアシスト拡散燃焼よりも高くなる。

したがって、一般化して言うと、機関負荷があらかじめ定められた第１の設定負荷よりも低いときには、主噴射を行うのに先立ち燃料噴射弁により補助噴射を行って燃焼室内をほぼ一様に満たす混合気を形成すると共に混合気を点火栓により着火し次いで燃料噴射弁により主噴射を行って主噴射燃料を圧縮着火させる第１の燃焼を行い、機関負荷が第１の設定負荷よりも高いときには、主噴射を行うのに先立ち燃料噴射弁により補助噴射を行って点火栓周りの燃焼室内に成層混合気を形成すると共に成層混合気を点火栓により着火し次いで燃料噴射弁により主噴射を行って主噴射燃料を圧縮着火させる第２の燃焼を行うということになる。また、機関負荷が第１の設定負荷よりも高くかつあらかじめ定められた第２の設定負荷よりも低いときには第２の燃焼を行い、機関負荷が第２の設定負荷よりも高いときには、圧縮ＴＤＣ周りにおいて燃料噴射弁により主噴射を行って主噴射燃料を圧縮着火させる第３の燃焼を行うということにもなる。さらに、機関負荷があらかじめ定められた第３の設定負荷よりも高くかつ第１の設定負荷よりも低いときには第１の燃焼を行い、機関負荷が第３の設定負荷よりも低いときには、燃料噴射弁により主噴射を行って燃焼室内をほぼ一様に満たす混合気を形成すると共に混合気を点火栓により着火させる第４の燃焼を行うということにもなる。

なお、本発明による実施例の点火着火火炎伝播燃焼（図４（Ｄ）参照）及び圧縮着火拡散燃焼（図４（Ａ）参照）では補助噴射ＡＦＩは行われず、補助噴射燃料ＡＦの点火栓１１による着火燃焼も行われない。しかしながら、圧縮着火拡散燃焼では例えばパイロット噴射のように点火栓１１による着火を前提としない追加の燃料を供給するようにしてもよい。

図８は本発明による第１実施例の燃焼制御を実行するためのルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。

図８を参照すると、まず初めにステップ１００では機関運転状態が領域ＳＦ（図３参照）内にあるか否かが判別される。機関運転状態が領域ＳＦ内にあるときには次いでステップ１０１に進み、点火着火火炎伝播燃焼が行われる。これに対し、機関運転状態が領域ＳＦ内にないときにはステップ１００からステップ１０２に進み、機関運転状態が領域ＨＳＤ（図３参照）内にあるか否かが判別される。機関運転状態が領域ＨＳＤ内にあるときには次いでステップ１０３に進み、均質スパークアシスト拡散燃焼が行われる。これに対し、機関運転状態が領域ＨＳＤ内にないときにはステップ１０２からステップ１０４に進み、機関運転状態が領域ＳＳＤ（図３参照）内にあるか否かが判別される。機関運転状態が領域ＳＳＤ内にあるときには次いでステップ１０５に進み、成層スパークアシスト拡散燃焼が行われる。これに対し、機関運転状態が領域ＳＳＤ内にないときすなわち領域ＣＤ（図３参照）内にあるときにはステップ１０４からステップ１０６に進み、圧縮着火拡散燃焼が行われる。

なお、使用される燃料が例えば軽油のように圧縮着火性の高い燃料の場合には、点火着火火炎伝播燃焼を行わなくても燃料を良好に燃焼させることができる。そこでこの場合には、点火着火火炎伝播燃焼を行わず、圧縮着火拡散燃焼、成層スパークアシスト拡散燃焼及び均質スパークアシスト拡散燃焼のいずれかを行うようにすることができる。すなわち、この場合には、図９に示されるように、機関負荷率ＫＬが低負荷側の設定負荷率ＫＬＬ１よりも低い運転領域ＨＳＤ１では均質スパークアシスト拡散燃焼が行われ、設定負荷率ＫＬが低負荷側の設定負荷率ＫＬＬ１よりも高く高負荷側の設定負荷率ＫＬＨ１よりも低い運転領域ＳＳＤ１では成層スパークアシスト拡散燃焼が行われ、機関負荷率ＫＬが高負荷側の設定負荷率ＫＬＨ１よりも高い運転領域ＣＤ１では圧縮着火拡散燃焼が行われる。

これまで説明してきた本発明による各実施例では、燃焼室５内に単一の燃料噴射弁１０を配置し、この燃料噴射弁１０により補助噴射ＡＦＩ及び主噴射ＭＦＩを行うようにしている。これに換えて、燃焼室５内に２つの燃料噴射弁を配置し、一方の燃料噴射弁により補助噴射ＡＦＩを行い他方の燃料噴射弁により主噴射ＭＦＩを行うようにしてもよい。あるいは、吸気通路内に燃料噴射弁を配置し、燃焼室５内に均質混合気を形成するためにこの燃料噴射弁により補助噴射ＡＦＩ又は主噴射ＭＦＩを行うようにしてもよい。

また、これまで説明してきた本発明による実施例では、シリンダヘッド内壁面３ａはほぼ平坦であり、副燃焼室が設けられていない。これに換えて、例えばシリンダヘッド内壁面３ａに凹溝状の副燃焼室を形成し、成層スパークアシスト拡散燃焼を行うべきときにこの副燃焼室内に補助噴射燃料ＡＦを噴射すれば、成層混合気を容易に形成することができる。

しかしながら、本発明による各実施例のように燃料噴射弁１０を１つだけ設け又は副燃焼室を省略すれば、構成を簡素化することができる。

内燃機関の全体図である。 シリンダヘッド内壁面の平面図である。 本発明による実施例における運転領域を示す線図である。 各燃焼の燃料噴射時期及び点火時期を示すタイムチャートである。 均質スパークアシスト拡散燃焼を説明するための図である。 成層スパークアシスト拡散燃焼を説明するための図である。 各燃焼の熱効率を示す図である。 燃焼制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。 本発明による別の実施例における運転領域を示す線図である。

符号の説明

１ 機関本体
５ 燃焼室
１０ 燃料噴射弁
１１ 点火栓

Claims (8)

1. 燃焼室内に燃料噴射弁及び点火栓を配置し、主噴射を行うのに先立ち該燃料噴射弁により補助噴射を行って該燃焼室内をほぼ一様に満たす混合気を形成すると共に該混合気を該点火栓により着火し次いで該燃料噴射弁により主噴射を行って該主噴射による燃料を圧縮着火させる第１の燃焼を行うようにした圧縮着火式内燃機関。
2. 前記主噴射による燃料を拡散燃焼させるようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
3. 前記第１の燃焼において前記補助噴射を吸気行程に行うようにした請求項１又は２に記載の圧縮着火式内燃機関。
4. 機関負荷があらかじめ定められた第１の設定負荷よりも低いときに前記第１の燃焼を行うようにした請求項１から３までのいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
5. 機関負荷が前記第１の設定負荷よりも高いときには、主噴射を行うのに先立ち前記燃料噴射弁により補助噴射を行って前記点火栓周りの前記燃焼室内に成層混合気を形成すると共に該成層混合気を該点火栓により着火し次いで前記燃料噴射弁により主噴射を行って該主噴射による燃料を圧縮着火させる第２の燃焼を行うようにした請求項４に記載の圧縮着火式内燃機関。
6. 機関負荷が前記第１の設定負荷よりも高くかつあらかじめ定められた第２の設定負荷よりも低いときには前記第２の燃焼を行い、機関負荷が該第２の設定負荷よりも高いときには、圧縮上死点周りにおいて前記燃料噴射弁により主噴射を行って該主噴射による燃料を圧縮着火させる第３の燃焼を行うようにした請求項５に記載の圧縮着火式内燃機関。
7. 機関負荷があらかじめ定められた第３の設定負荷よりも高くかつ前記第１の設定負荷よりも低いときには前記第１の燃焼を行い、機関負荷が該第３の設定負荷よりも低いときには、前記燃料噴射弁により主噴射を行って前記燃焼室内をほぼ一様に満たす混合気を形成すると共に該混合気を前記点火栓により着火させる第４の燃焼を行うようにした請求項４から６までのいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
8. 前記主噴射及び補助噴射が同一の燃料噴射弁により行われる請求項１から７までのいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。

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