JP2009185618A

JP2009185618A - 予混合圧縮着火内燃機関

Info

Publication number: JP2009185618A
Application number: JP2008023717A
Authority: JP
Inventors: Kohei Kuzuoka; 浩平葛岡
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】要求負荷が変化したときにも安定な着火を得ることができる予混合圧縮着火内燃機関を提供する。
【解決手段】予混合圧縮着火内燃機関１は、燃焼室２に混合気を案内する吸気ポート４と、第１の燃料を吸気ポート４に噴射する第１のインジェクタ６と、第１の燃料よりも着火性が低い第２の燃料を燃焼室２に直接噴射する第２のインジェクタ７とを備え、両インジェクタ６，７から供給された燃料を含む燃料混合気を圧縮して自着火せしめる。高負荷になるほど第２の燃料の供給割合を増加させると共に、第２の燃料の噴射時期を遅くする制御手段８を備える。制御手段８は、低負荷時には第１の燃料のみを供給し、負荷の上昇に伴って前記第２の燃料の供給割合を増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、予混合圧縮着火内燃機関に関するものである。

近年、空気等の酸素含有気体とガソリン等の燃料とを吸気ポートで予め混合し、得られた混合気を燃焼室内に導入して圧縮することにより、該燃料に自着火させる予混合圧縮着火内燃機関が検討されている。前記予混合圧縮着火内燃機関では、希薄な混合気を高圧縮比で圧縮して自着火燃焼させるので、前記燃焼室に供給された全燃料がほぼ同時に燃焼する。この結果、前記予混合圧縮着火内燃機関によれば、所定時間当たりの燃料消費量を低減して高い熱効率を達成することができる一方、排ガス中の有害物質を低減することができる。

ところが、前記予混合圧縮着火内燃機関は、前記混合気の着火を自着火により行っているため、着火タイミングを任意に制御することが難しく、ノッキング等の異常燃焼または失火の原因となるという問題がある。前記着火タイミングを調整するために、吸気温度を変更したり、燃焼後の排ガスを吸気に再循環させる制御方法が知られているが、このような制御方法では、前記予混合圧縮着火内燃機関の要求負荷が急激に変化したときに、対応することが困難であるとの問題がある。

そこで、着火性の高い第１の燃料と、着火性の低い第２の燃料とを備え、要求負荷に応じて第１の燃料と第２の燃料との供給量を変化させるようにした前記予混合圧縮着火内燃機関が知られている（特許文献１参照）。

前記第１の燃料と第２の燃料とを備える前記予混合圧縮着火内燃機関によれば、要求負荷に応じて第１の燃料の供給量と第２の燃料の供給量とを変化させることにより、着火タイミングを任意に制御することができ、また、該内燃機関の要求負荷の急激な変化に広い範囲で容易に対応することができると考えられる。

前記着火性の高い第１の燃料と、着火性の低い第２の燃料とを備える前記予混合圧縮着火内燃機関として、燃焼室に混合気を案内する吸気ポートに第１の燃料を噴射すると共に、第２の燃料を該燃焼室に直接噴射し、両燃料を含む燃料混合気を該燃焼室内で圧縮して自着火せしめるものが知られている（特許文献２参照）。

しかしながら、前記第１の燃料を前記吸気ポートに噴射すると共に、前記第２の燃料を前記燃焼室に直接噴射する前記予混合圧縮着火内燃機関では、要求負荷が変化したときには、安定な着火が得られ難く、急激な燃焼や失火が起きることがある。
特開２００４−２８０４７号公報特開２００７−１８７１１２号公報

本発明は、前記事情に鑑み、要求負荷が変化したときにも安定な着火を得ることができる予混合圧縮着火内燃機関を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、燃焼室に混合気を案内する吸気ポートと、第１の燃料を該吸気ポートに噴射する第１のインジェクタと、該第１の燃料よりも着火性が低い第２の燃料を該燃焼室に直接噴射する第２のインジェクタとを備え、両インジェクタから供給された燃料を含む燃料混合気を圧縮して自着火せしめる予混合圧縮着火内燃機関において、高負荷になるほど該第２の燃料の供給割合を増加させると共に、該第２の燃料の噴射時期を遅くする制御手段を備えることを特徴とする。

本発明の予混合圧縮着火内燃機関では、前記第１のインジェクタにより前記第１の燃料を前記吸気ポートに噴射すると共に、前記第２のインジェクタにより前記第２の燃料を前記燃焼室内に直接噴射する。このようにすると、前記燃焼室内には、前記第１の燃料が均一に分布すると共に、前記第２の燃料により該燃焼室内で高濃度の部分と低濃度の部分とからなる分布が形成される。

ここで、前記第１の燃料は相対的に着火性が高いので、低温酸化反応発熱（冷炎）を持ち、主燃焼の前に燃焼室内の温度上昇を引き起こして着火を促進する。一方、前記第２の燃料は相対的に着火性が低く、低温酸化反応を抑制する効果を有する。

この結果、前記燃焼室では、前記混合気が圧縮されたときに、前記第２の燃料の濃度勾配に従って、該第２の燃料の濃度が低い部分ほど高温になり、該第２の燃料の濃度が高い部分ほど低温になる温度勾配が形成される。そして、最も温度の高い部分で最初に着火し、その後、前記温度勾配に従って、温度の高い方から順次着火する。

そこで、本発明の予混合圧縮着火内燃機関では、要求負荷に対し、前記第２の燃料の供給量と噴射時期とを前記制御手段により制御することにより、着火の状態を制御することができる。具体的には、前記制御手段は、高負荷になるほど前記第２の燃料の供給割合を増加させると共に、該第２の燃料の噴射時期を遅くする。

この結果、本発明の予混合圧縮着火内燃機関によれば負荷が変化したときにも安定な着火を得ることができ、急激な燃焼や失火を防止することができる。

また、本発明の予混合圧縮着火内燃機関では、前記制御手段は、低負荷時には第１の燃料のみを使用し、負荷の上昇に伴って前記第２の燃料の使用割合を増加させる。このようにすることにより、要求負荷が変化したときにも、前記第１の燃料の供給量を変えることなく、前記第２の燃料の供給割合を変化させるだけの単純な制御で安定な着火を得ることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の予混合圧縮内燃機関の主要構成を示すシステム構成図であり、図２は要求負荷が低いときの第２の燃料の噴射時期と図示熱効率との関係を示すグラフ、図３は要求負荷が高いときの第２の燃料の噴射時期と図示熱効率との関係を示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態の予混合圧縮内燃機関１は、燃焼室としてのシリンダ２を備え、シリンダ２は内部にピストン３を備えると共に、頂部（シリンダヘッド）に設けられた吸気弁（図示せず）を介してシリンダ２に連通する吸気ポート４と、頂部に設けられた排気弁（図示せず）を介してシリンダ２に連通する排気ポート５とを備えている。吸気ポート４には、第１の燃料を噴射する第１のインジェクター６が備えられおり、シリンダ２の頂部中央には第２の燃料を噴射する第２のインジェクター７が備えられている。そして、予混合圧縮内燃機関１は、インジェクター６，７による各燃料の供給量及び噴射時期を制御する制御装置８を備えている。

本実施形態の予混合圧縮着火内燃機関１において、前記第１の燃料は、相対的に着火性の高い燃料であり、例えば、リサーチオクタン価が７０以下の燃料を用いることができる。このような第１の燃料として、例えば、ｎ−ヘプタン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等を挙げることができる。

また、前記第２の燃料は、相対的に着火性の低い燃料であり、例えば、エタノール等のアルコールを挙げることができる。前記エタノールとしては、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵、蒸留により得たバイオエタノールを用いることができる。前記植物性物質は、原料となる植物自体が既に二酸化炭素を吸収しているので、係る植物性物質から得られたエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しい。即ち、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるという所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。従って、前記バイオエタノールを燃料に用いることにより、二酸化炭素の排出量を削減し、地球の温暖化防止に寄与することができる。

本実施形態の予混合圧縮着火内燃機関１では、前記第１の燃料として例えばｎ−ヘプタンを第１のインジェクタ６により吸気ポート４に噴射すると共に、前記第２の燃料として例えばエタノールを第２のインジェクタ７によりシリンダ２内に直接噴射する。このようにすることにより、シリンダ２内に、前記第１の燃料、第２の燃料と、空気との混合気が形成される。

ここで、前記第１の燃料は、吸気ポート４内で予め空気と混合された上でシリンダ２内に案内されるので、シリンダ２内に均一に分布する。一方、前記第２の燃料は、シリンダ２内に直接噴射されるので、シリンダ２内に高濃度の部分と、低濃度の部分とを形成し、本実施形態では、シリンダ２の軸に沿って中央ほど高濃度になり、軸から周縁部に近づくに従って低濃度になる分布を形成する。また、前記第２の燃料がシリンダ２の軸から周縁部方向にどこまで拡散するかは、第２の燃料の噴射時期に関わり、噴射時期が早いほど遠くまで拡散し、噴射時期が遅いほど拡散が少なくなる。

前記混合気は、シリンダ２内でピストン３により圧縮されることにより、自着火する。このとき、着火性の高い前記第１の燃料は、低温酸化反応発熱（冷炎）を持ち、主燃焼の前に燃焼室内の温度上昇を引き起こして着火を促進する。一方、着火性の低い前記第２の燃料は、前記低温酸化反応を抑制する。

この結果、シリンダ２内で、前記第２の燃料の濃度が希薄な部分ほど、高温になり、最も温度の高い部分で最初に着火する。そして、その後、温度の高い部分から順に着火する。

そこで、本実施形態の予混合圧縮着火内燃機関１では、前記第２の燃料の使用量と噴射時期とを制御装置８により制御することにより、着火の状態を制御する。次に、制御装置８による制御について説明する。

制御装置８は、予混合圧縮着火内燃機関１の要求負荷が低くなったときには、前記第１の燃料の供給量は変更せず、前記第２の燃料の供給量を低減する。このようにすると、前記第２の燃料による前記低温酸化反応を抑制する効果が低減するので、シリンダ２内の混合気はピストン３の上死点前の早い時期に着火するようになる。すなわち、着火時期が進角化する。

前記着火時期が進角化すると、シリンダ２内の混合気はノッキング等の異常燃焼を起こしやすくなる。そこで、制御装置８は、前記第２の燃料の供給量を低減すると共に、ピストン３の上死点前の早い時期に、該第２の燃料をインジェクタ７によりシリンダ２内に直接噴射するようにする。このようにすると、前記第２の燃料は、供給量は低減するものの、シリンダ２内で軸から周縁部近傍まで拡散することができ、着火時期をピストン３の上死点に近づけることができる。すなわち、着火時期を遅角化させることができる。

この結果、予混合圧縮着火内燃機関１は、要求負荷が低減したときにも安定な着火を得ることができる。

また、制御装置８は、予混合圧縮着火内燃機関１の要求負荷が高くなったときには、前記第１の燃料の供給量は変更せず、前記第２の燃料の供給量を増加する。このようにすると、前記第２の燃料による前記低温酸化反応を抑制する効果が増加するので、シリンダ２内の混合気はピストン３の上死点前の上死点に近い時期に着火するようになる。すなわち、着火時期が遅角化する。

前記着火時期が遅角化すると、シリンダ２内の混合気は失火しやすくなる。そこで、制御装置８は、前記第２の燃料の供給量を増加すると共に、ピストン３の上死点前の上死点に近い時期に、該第２の燃料をインジェクタ７によりシリンダ２内に直接噴射するようにする。このようにすると、前記第２の燃料は、供給量は増加するものの、シリンダ２内で軸付近にしか拡散することができず、着火時期をピストン３の上死点前の早い時期にすることができる。すなわち、着火時期を進角化させることができる。

この結果、予混合圧縮着火内燃機関１は、要求負荷が増加したときにも安定な着火を得ることができる。

尚、制御装置８は、例えば、前記第２の燃料の供給量と噴射時期とに関するマップを用いてフィードフォワード制御を行うことにより、前記要求負荷の変化に対応することができる。

また、制御装置８は、前述のように、前記第１の燃料の供給量は変更せず、前記第２の燃料の供給量を低減または増加することにより、制御を単純化することができるが、前記第２の燃料の供給量とともに前記第１の燃料の供給量も変更するようにしてもよい。

次に、制御装置８により、前述の制御を行った場合の熱効率について説明する。

まず、第１の燃料をｎ−ヘプタン、第２の燃料をエタノールとし、要求負荷が低い場合に、回転数、燃料発熱量、当量比、燃料全体に対するエタノールの量を一定とし、エタノールの噴射時期のみを変更して、前記噴射時期（クランク角度で示す）に対する図示熱効率を測定した。結果を図２に示す。尚、回転数１５００ｒｐｍ、燃料発熱量５７０Ｊ／ｃｙｃ．ｃｙｌ、当量比０．４、燃料全体に対するエタノールの量２７重量％とした。

図２において、図２から、要求負荷が低い場合には、クランク角度が上死点前１００°付近で、図示熱効率を最大とすることができることが明らかである。

次に、第１の燃料をｎ−ヘプタン、第２の燃料をエタノールとし、要求負荷が高い場合に、回転数、燃料発熱量、燃料全体に対するエタノールの量を一定とし、エタノールの噴射時期のみを変更して、前記噴射時期（クランク角度で示す）に対する図示熱効率を測定した。結果を図３に示す。尚、回転数１５００ｒｐｍ、燃料発熱量７７０Ｊ／ｃｙｃ．ｃｙｌ、燃料全体に対するエタノールの量５７重量％とした。

図３から、要求負荷が高い場合には、クランク角度が上死点前２４°付近で、図示熱効率を最大とすることができることが明らかである。

本発明の予混合圧縮内燃機関の一構成例における主要構成を示すシステム構成図。要求負荷が低いときの第２の燃料の噴射時期と図示熱効率との関係を示すグラフ。要求負荷が高いときの第２の燃料の噴射時期と図示熱効率との関係を示すグラフ。

符号の説明

１…予混合圧縮着火内燃機関、２…燃焼室、４…吸気ポート、６…第１のインジェクタ、７…第２のインジェクタ、８…制御手段。

Claims

燃焼室に混合気を案内する吸気ポートと、第１の燃料を該吸気ポートに噴射する第１のインジェクタと、該第１の燃料よりも着火性が低い第２の燃料を該燃焼室に直接噴射する第２のインジェクタとを備え、両インジェクタから供給された燃料を含む燃料混合気を圧縮して自着火せしめる予混合圧縮着火内燃機関において、
高負荷になるほど該第２の燃料の供給割合を増加させると共に、該第２の燃料の噴射時期を遅くする制御手段を備えることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
前記制御手段は、低負荷時には前記第１の燃料のみを供給し、負荷の上昇に伴って前記第２の燃料の供給割合を増加させることを特徴とする請求項１記載の予混合圧縮着火内燃機関。