JP2009287484A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】混合気が一斉に圧縮自己着火することによる騒音・振動の悪化を回避する。
【解決手段】軽質でかつ自着火性の低い第１の燃料、例えばガソリンと、重質でかつ自着火性の高い第２の燃料、例えば軽油と、を予め混合して、燃料噴射弁９からピストン２のボウル２ａ中央へ向けて噴射する。混合燃料の噴霧液滴からは、軽質である第１の燃料成分が先行して気化し、重質な第２の燃料成分が遠くに達するので、ボウル２ａ中央部には自着火性の低い混合気ｆ１が形成され、ボウル２ａ周辺部には自着火性の高い混合気ｆ２が形成される。従って、ピストン２の上昇に伴う圧縮により自着火に至る際に、自着火性の高いボウル２ａ周辺部の混合気がまず着火・燃焼に至り、これに自着火性の低いボウル２ａ中央部の混合気が続く。そのため、急激な圧力上昇が回避され、騒音・振動が十分に低く、かつ高効率・低エミッションな燃焼を実現することができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、自着火性の異なる２種の燃料を用いて予混合圧縮自己着火燃焼の過大な圧力上昇を抑制するようにした内燃機関に関する。

一般的に内燃機関においては、希薄予混合燃焼によって高効率と低エミッションとが実現可能なことが知られており、従来から、燃焼室内に希薄・均質な予混合気を形成し、これを圧縮行程において自着火燃焼させるようにした予混合圧縮着火機関が多数提案されている。

しかしながら、このような予混合圧縮着火燃焼の問題点として、振動・騒音の問題がある。すなわち、燃焼室内に均質に形成された予混合気が、圧縮により一斉に着火燃焼することで、圧力の上昇率が過大となることである。従って、予混合圧縮着火燃焼機関の開発においては、予混合気を確実に着火燃焼させる手段とともに、この過大な圧力上昇を抑制する技術の開発が大きな課題となっている。

このような急激な着火燃焼による過大な圧力上昇を回避するために、例えば特許文献１に開示の技術では、セタン価の異なる２種類の燃料を用い、一方の燃料を吸気ポートに噴射供給し、他方の燃料を燃焼室内に直接噴射するようにして、燃焼室内において両者の混合比率に不均一性を生じさせるようにしている。
特開２００４−７６７３６号公報

上記の特許文献１の技術では、燃焼室内の自着火性の高い部分から着火燃焼が開始され、その圧力上昇により自着火性の低い部分へと着火燃焼が推移することで、過大な熱発生を抑制することができるが、２種類の燃料を個別に噴射するために構成が複雑であり、また必ずしも最適な混合気分布を得ることができない。

本発明は、相対的に軽質な燃料と重質な燃料とを混合して燃焼室内に噴射すると、両者の揮発性の差異により自然に分離されて偏った混合気分布が形成される、という新たな知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明の内燃機関は、燃料を燃焼室内へ直接供給する燃料噴射弁を有しており、軽質で自着火性の低い第１の燃料（例えばガソリン）と、この第１の燃料に比べて重質でかつ自着火性の高い第２の燃料（例えば軽油）と、を予め混合して、上記燃料噴射弁から主として圧縮行程中に燃焼室内へ噴射供給する。この混合燃料は、微小な燃料液滴の集合である噴霧を形成するが、個々の噴霧液滴からは、軽質である第１の燃料成分が先行して気化する。気化した燃料は周辺の空気との運動量交換により速やかに減速され、残る液滴が速度を維持しつつ移動を続ける。液滴は、その軽質成分が先行して気化してしまっているため、噴霧の先端近傍では重質成分が多く残っており、結果として、噴霧の噴射弁に近い側には軽質でかつ自着火性の低い燃料成分の混合気が、噴霧の先端に近い側では重質でかつ自着火性の高い燃料成分の混合気が形成される。なお、このような分離作用を得るためには、第１の燃料および第２の燃料の揮発性が十分に異なっている必要がある。

本発明の好ましい一つの態様では、上記混合気分布を制御するために、機関の運転状態に応じて、燃料噴霧の粒径を制御する。すなわち、大粒径の噴霧とすれば混合気内の自着火性分布の差違が大きくなり、小粒径の噴霧とすれば混合気内の自着火性分布を均質に近づけることができ、機関の運転条件に応じて適した混合気分布を形成することが可能となる。

例えば、上記燃料噴霧の粒径は、燃料噴射弁の噴射圧により制御され、機関の負荷が高いほど噴射圧を低くする。すなわち、高負荷時には噴射圧を低くして粒径分布を大粒径側に偏らせることで、混合気の自着火性不均一を大きくして圧力上昇率の抑制効果を大きくし、低負荷時には噴射圧を高くして小粒径化することで、混合気の自着火性分布を均一に近づけ、熱発生期間の長期化による未燃成分の増加や熱効率の悪化を防止することが可能となる。

また一つの態様では、機関の燃焼状態を検知する手段を備え、この燃焼状態に応じて、燃焼騒音が大きいほど噴射圧を低くして粒径を大きくする。このようにフィードバック制御することにより、圧力上昇に伴う燃焼騒音を常に適切なレベルに維持することが可能となる。

本発明の内燃機関は、例えば、上記燃焼室内に形成された混合気が、圧縮により自着火燃焼される。このような圧縮自己着火燃焼によれば、希薄な混合気による燃焼が可能となり、熱効率の向上とエミッションの低減が可能となる。

あるいは、本発明の内燃機関は、混合気に対する点火手段を有し、上記燃焼室内に形成された混合気が、上記点火手段により点火燃焼される。この場合、点火により熱発生の時期を最適に制御しつつ、後半は自着火性の高い混合気の自着火燃焼へと推移することで、燃焼の安定度を向上することが可能となる。

あるいは、本発明の内燃機関は、上記燃焼室内に形成された混合気が、その自着火性の高い部分に対して火花点火を行うことで燃焼される。このように、自着火性の高い部分を先行して火炎伝播により燃焼させることで、後半は自着火性の低い混合気によるノック抑制が可能となる。

本発明の具体的な一つの態様では、ピストン冠面上に凹部が形成されているとともに、上記燃料噴射弁がシリンダの略中央に配置されており、この燃料噴射弁から上記ピストン凹部の略中央に燃料を噴射することで、ピストン凹部中央には自着火性の低い混合気を、ピストン凹部周辺には自着火性の高い混合気を、それぞれ分布させる。このように自着火性分布のある混合気を燃焼室内の一部に形成することで、燃焼室全体としてより希薄な燃焼が可能となり、熱効率の向上が可能となる。また、燃焼室クレビス部への燃料進入を回避して、未燃燃料を低減することが可能となる。

本発明の他の態様では、ピストン冠面上に凹部が形成されているとともに、上記燃料噴射弁がシリンダの略中央に配置されており、この燃料噴射弁から上記ピストン凹部の周辺部に燃料を円錐状に噴射することで、ピストン凹部中央には自着火性の高い混合気を、ピストン凹部周辺には自着火性の低い混合気を、それぞれ分布させる。この構成によれば、ピストン凹部の周辺部に自着火性の低い混合気が形成され、対ノック性が向上する。

また本発明のさらに他の態様では、ピストン冠面上に凹部が形成されているとともに、上記燃料噴射弁が燃焼室の周辺部に配置され、かつ燃焼室内にスワール流動を形成する手段を有し、上記燃料噴射弁から上記ピストン凹部に燃料が噴射され、この噴射された燃料がスワール流に沿って、燃焼室内に自着火性の異なる混合気を形成する。このような構成では、燃料噴射弁が側方に配置されることで、シリンダヘッドの設計自由度が大きくなり、吸排気弁のガス交換効率を最適化することが可能となる。

望ましくは、上記のスワール流動形成手段は、スワール強度を制御する機構を有し、機関の運転条件に応じてスワール強度を制御することで、機関高負荷時には点火手段近傍に自着火性の高い混合気を形成し、機関低負荷時には点火手段近傍に自着火性の低い混合気を形成する。このように機関の運転条件に応じてスワール強度を制御することで、例えば機関高負荷時には燃焼後半におけるノック抑制効果が、機関低負荷時には燃焼後半における自着火燃焼による燃焼安定および未燃燃料低減効果が得られる。

本発明の一つの態様では、上記第１の燃料と第２の燃料の少なくとも一方は、第３の燃料から燃料改質により生成される。例えば、第１の燃料と第２の燃料を燃料改質により得るようにすれば、個別に燃料を給油する必要がないという利点がある。

本発明によれば、揮発性の差異による分離作用によって燃焼室内に自着火性の異なる混合気分布を形成することができ、自着火性の高い部分から低い部分へと着火・燃焼が推移するため、燃焼による急激な熱発生が分散され、圧力上昇率を抑制することが可能となり、機関の騒音・振動が低減するとともに、機関の耐久性が向上する。特に、２種類の燃料を個別に噴射・制御することなく燃焼状態や圧力上昇率を適宜に制御することが可能となる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の構成を示す構成説明図であって、内燃機関１の本体部分は、シリンダヘッド１ａとシリンダブロック１ｂとからなり、シリンダ１ｃ内を摺動するピストン２とシリンダヘッド１ａの間に燃焼室３が形成されている。シリンダヘッド１ａには、吸気ポート７を開閉する吸気弁５と、排気ポート８を開閉する排気弁６と、が設けられているとともに、シリンダ１ｃの略中央位置に、燃料噴射弁９が配置されている。この燃料噴射弁９は、シリンダ中心軸線に沿って燃料を噴射するものであり、対向するピストン２の冠面に形成された凹部つまりボウル２ａ中央に向けて、主として圧縮行程中に燃料噴射する。後述するように燃焼室３に形成された混合気は、ピストン２による圧縮によって自着火燃焼される。なお、燃焼室３に点火プラグ１０を設けて、火花点火を行うようにすることもできる。

ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータであり、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１３、機関水温を検出する水温センサ１４、機関回転数を検出するクランク角センサ１５等の各種センサからの検出信号等に基づいて、エンジンを統括的に制御する。

また、この実施例の内燃機関は、軽質でかつ自着火性の低い第１の燃料、例えばガソリンを貯留する第１燃料タンク２１と、第１の燃料に比して重質でかつ自着火性の高い第２の燃料、例えば軽油を貯留する第２燃料タンク２２と、を有し、これら２種の燃料を所定の割合で予め混合した上で、高圧燃料ポンプ２３によって加圧し、かつ噴射圧を調整するプレッシャレギュレータ２４を介して燃料噴射弁９へと供給する構成となっている。上記プレッシャレギュレータ２４により設定される燃料噴射弁９の噴射圧は、ＥＣＵ１２からの指令信号により変更可能であり、機関運転条件に応じて可変的に設定される。

次に図２の説明図を参照して、本発明における噴霧の蒸発過程について説明する。軽質な第１の燃料と重質な第２の燃料との混合燃料は、燃料噴射弁９によって燃焼室３内へと噴射され、微小な燃料液滴３１の集合である噴霧を形成する。個々の噴霧液滴３１からは、軽質である第１の燃料成分３２が先行して気化する。気化した燃料３２は周辺の空気との運動量交換により速やかに減速され、残る液滴３１’が速度を維持しつつ移動を続ける。この液滴３１’は、軽質成分３２が先行して気化してしまっているため、重質成分が多く残っており、遅れて第２の燃料成分３３が気化する。結果として、噴霧の燃料噴射弁９に近い側には軽質でかつ自着火性の低い燃料成分の混合気が形成され、噴霧の先端に近い側では重質でかつ自着火性の高い燃料成分の混合気が形成される。

このような燃焼室３内での分離効果が十分に発揮されるためには、第１の燃料および第２の燃料の揮発性が大きく異なっている必要があり、例えば元来ガソリンに含まれれている程度の揮発性の差違では、自着火性分布の不均一はほとんど生じない。図３は、揮発性の大きく異なる２つの燃料、つまり第１の燃料としてのガソリンと第２の燃料としての軽油とにおける燃料成分中のカーボン数分布を示したものであり、このように十分に揮発性が異なれば、上述した分離作用が得られる。

図４は、本実施例における燃焼室３内での混合気分布を示す。燃料噴射弁９からピストン２のボウル２ａへ向けて噴射された燃料Ｆは、軽質で自着火性の低い成分の混合気を形成しつつ、ボウル２ａ底面に衝突し、ボウル２ａ周辺部へと拡散する。この過程において、ボウル２ａ中央部には自着火性の低い混合気ｆ１が形成され、ボウル２ａ周辺部には自着火性の高い混合気ｆ２が形成される。

このような自着火性の不均一を有する混合気は、ピストン２の上昇に伴う圧縮により自着火に至る。このとき、自着火性の高いボウル２ａ周辺部の混合気がまず着火・燃焼に至り、これに自着火性の低いボウル２ａ中央部の混合気が続く。従って、燃焼室３内の全燃料が一斉に着火燃焼して急激な圧力上昇を伴う現象を回避することが可能となり、騒音・振動が十分に低く、かつ高効率・低エミッションな燃焼を実現することができる。

燃料噴射弁９の噴射圧は、機関の負荷に応じて制御される。機関が比較的低負荷にある場合は、噴射圧が高く設定される。これにより、噴霧中の液滴がより小さく微粒化され、噴霧と空気との運動量交換も大きくなることから、液滴と周囲のガスはほぼ等速度で移動するようになる。すなわち、軽質成分が先行して揮発したとしても、噴霧中における自着火性の分布は生じにくくなる。従って、混合気中の自着火性の異なる燃料が時間差をもって着火する効果は相対的に小さくなり、混合気全体が一斉に着火・燃焼するようになる。そのため、低負荷時における希薄な混合気も、失火等による燃焼不安定や、未燃燃料の発生を伴うことなく、確実に燃焼させることが可能となる。

逆に、機関が比較的高負荷にある場合は、噴射圧が低く制御され、燃料噴霧中の液滴の粒径分布は大粒径側へ偏る。これにより、噴霧中に自着火性の異なる混合気が形成される効果は大きくなり、上述したように混合気中の自着火性の高い部分から自着火性の低い部分へと時間差をもって着火燃焼が進行することになる。従って、比較的高負荷でよりリッチな混合気に対して、急激な熱発生による過大な圧力上昇を抑制することができる。

次に本発明の第２実施例を図５に基づいて説明する。この実施例は、基本構成は前述した実施例と特に変わりがないが、燃料噴射弁９の噴霧の形態と点火手段が異なる。図５に示すように、燃料噴霧Ｆは、燃料噴射弁９から円錐状に噴射され、ピストン２のボウル２ａの周辺部へと衝突し、ボウル２ａ中央へと導入される。この場合、ボウル２ａ外周近辺には軽質で自着火性の低い混合気ｆ１が形成され、ボウル２ａ中央には重質で自着火性の高い混合気ｆ２が形成される。本実施例では、このように不均一に存在する混合気の略中央に点火プラグ１０によって点火燃焼を行う。燃焼過程の前半では、ボウル２ａ中央の自着火性の高い混合気ｆ２が燃焼され、後半ではボウル２ａ外周部へと燃焼が進行する。ボウル２ａ外周部には自着火性の低い混合気ｆ１が形成されており、エンドガスの自着火に起因するノッキングの発生を抑制することが可能となる。

次に、図６および図７は、この発明の第３実施例を示している。この実施例では、燃料噴射弁９は燃焼室３の側方となる吸気ポート７下側に配置されており、ピストン２のボウル２ａへ向けて斜めに燃料を噴射する。また、吸気ポート７には、吸気通路面積の一部を遮蔽することで燃焼室３内にスワール流動を付加するスワール制御弁４１が設けられており、ＥＣＵ１２からの制御信号によってスワール強度を可変制御できる。なお、その他の基本的構成は、前述した実施例と変わりがない。

図７に示すように、燃料噴射弁９からシリンダ２ｃの径方向に噴射された燃料噴霧Ｆは、反時計回りのスワール流Ｓに沿って流れ、ボウル２ａ内を旋回するように拡散していく。そして、前述した揮発性の差異による分離作用により、燃料噴射弁９に近いスワール上流側では軽質でかつ自着火性の低い混合気ｆ１が形成され、スワール下流側では重質でかつ自着火性の高い混合気ｆ２が形成される。点火プラグ１０は、比較的スワール上流側に配置され、自着火性の低い混合気ｆ１に点火を行う。この自着火性の低い混合気ｆ１の火炎伝播燃焼により、下流側の自着火性の高い混合気ｆ２は圧縮され、火炎の伝播を待たずに、自己着火燃焼に至る。これにより、低負荷における希薄な混合気においても、燃焼の安定を維持でき、また未燃燃料の増大を回避することができる。

なお、機関が高負荷にある場合は、スワール制御弁４１の開度を変更することでスワール強度を変更し、例えば混合気をさらに半周旋回させることで、点火プラグ１０近傍に自着火性の高い混合気ｆ２を、逆に点火プラグ１０から離れた位置に自着火性の低い混合気ｆ１を分布させることで、ノッキングの発生を回避することができる。

この発明に係る内燃機関の第１実施例の構成説明図。 噴霧の蒸発過程の説明図。 ガソリンおよび軽油のカーボン数分布を模式的に示した特性図。 この第１実施例の混合気分布を示す説明図。 第２実施例の混合気分布を示す説明図。 この発明の第３実施例の構成説明図。 この第３実施例の混合気分布を示す説明図。

符号の説明

２…ピストン
２ａ…ボウル
３…燃焼室
９…燃料噴射弁
２１…第１燃料タンク
２２…第２燃料タンク
２３…高圧燃料ポンプ
２４…プレッシャレギュレータ
４１…スワール制御弁

Claims (12)

1. 燃料を燃焼室内へ直接供給する燃料噴射弁を有し、第１の燃料と、この第１の燃料に比べて重質でかつ自着火性の高い第２の燃料と、を予め混合して、上記燃料噴射弁から主として圧縮行程中に燃焼室内へ噴射供給し、揮発性の差異により分離させて燃焼室内に自着火性の異なる混合気分布を形成すること、を特徴とする内燃機関。
2. 上記混合気分布を制御するために、機関の運転条件に応じて、燃料噴霧の粒径を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 上記燃料噴霧の粒径は、燃料噴射弁の噴射圧により制御され、機関の負荷が高いほど噴射圧を低くすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 機関の燃焼状態を検知する手段を備え、この燃焼状態に応じて、燃焼騒音が大きいほど噴射圧を低くして粒径を大きくすることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関。
5. 上記燃焼室内に形成された混合気が、圧縮により自着火燃焼されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
6. 混合気に対する点火手段を有し、上記燃焼室内に形成された混合気が、上記点火手段により点火燃焼されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
7. 上記燃焼室内に形成された混合気が、その自着火性の高い部分に対して火花点火を行うことで燃焼されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
8. ピストン冠面上に凹部が形成されているとともに、上記燃料噴射弁がシリンダの略中央に配置されており、この燃料噴射弁から上記ピストン凹部の略中央に燃料を噴射することで、ピストン凹部中央には自着火性の低い混合気を、ピストン凹部周辺には自着火性の高い混合気を、それぞれ分布させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関。
9. ピストン冠面上に凹部が形成されているとともに、上記燃料噴射弁がシリンダの略中央に配置されており、この燃料噴射弁から上記ピストン凹部の周辺部に燃料を円錐状に噴射することで、ピストン凹部中央には自着火性の高い混合気を、ピストン凹部周辺には自着火性の低い混合気を、それぞれ分布させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関。
10. ピストン冠面上に凹部が形成されているとともに、上記燃料噴射弁が燃焼室の周辺部に配置され、かつ燃焼室内にスワール流動を形成する手段を有し、上記燃料噴射弁から上記ピストン凹部に燃料が噴射され、この噴射された燃料がスワール流に沿って、燃焼室内に自着火性の異なる混合気を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関。
11. 上記のスワール流動形成手段は、スワール強度を制御する機構を有し、機関の運転条件に応じてスワール強度を制御することで、機関高負荷時には点火手段近傍に自着火性の高い混合気を形成し、機関低負荷時には点火手段近傍に自着火性の低い混合気を形成すること、を特徴とする請求項１０に記載の内燃機関。
12. 上記第１の燃料と第２の燃料の少なくとも一方は、第３の燃料から燃料改質により生成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の内燃機関。

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