JP2010007547A - 予混合圧縮着火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】過給器を備え、過給時に混合気の急激燃焼を防止することができると共に、高負荷に対応す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、過給器１２と、過給器１２により供給される吸気の熱交換を行う熱交換器１３と、主燃焼前に冷炎を発生させるように過給圧と吸気温度とを制御する過給圧−吸気温度制御手段１６とを備える。制御手段１６は、クランクの作用角が上死点前１３°から上死点までの範囲の角度で前記冷炎を発生させるように、過給圧と吸気温度とを制御する。制御手段１６は、前記冷炎による発熱量が総発熱量の２％以上となるように、過給圧と吸気温度とを制御する。制御手段１６は、前記冷炎の発生により、混合気の温度が３０℃以上上昇するように、過給圧と吸気温度とを制御する。前記主燃焼を上死点後に発生させる。
【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ＮＯ_x等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では、吸気温度が低すぎると混合気が着火せずに失火し、吸気温度が高すぎると混合気が上死点前に着火して急激な燃焼となってノッキングを起こすので、混合気を安定に着火させることができる吸気温度の領域が狭いという問題がある。

また、前記予混合圧縮着火では、圧縮過程において、まず、冷炎が発生し、該冷炎の発熱量が主燃焼に寄与していることが知られている（例えば特許文献１参照）。前記冷炎の発熱量は、燃料の構造により影響を受けることが知られており、オクタン価の基準燃料であるノルマルヘプタンでは大きく、イソオクタンでは小さいとされている。ガソリンを燃料とする前記予混合圧縮着火では、ガソリンの組成がイソオクタンに近く、前記冷炎の発熱量が小さいため、一般に吸気加熱または排気再循環（ＥＧＲ）により混合気を加熱し、失火を防止することが行われている（例えば特許文献２参照）。

一方、前記予混合圧縮着火内燃機関は、希薄な混合気を圧縮して自着火燃焼させるので、対応できる負荷が比較的低いという問題がある。前記問題を解決するために、前記予混合圧縮着火内燃機関に過給器を備え、吸気を過給することにより、高負荷に対応できるようにすることが考えられる。前記過給器を備える予混合圧縮着火内燃機関として、例えば、吸気の温度が低すぎる場合に、該過給器により断熱圧縮されて加熱された吸気を供給することにより吸気温度を上昇させて、失火を防止するようにした予混合圧縮着火内燃機関が提案されている（例えば特許文献３参照）。

しかしながら、前記過給器を備える予混合圧縮着火内燃機関では、過給時にはシリンダ内の熱発生量が大きくなるために、混合気が着火後、燃焼連鎖反応が促進され燃焼反応が著しく短時間で完結する急激燃焼となり、大きな燃焼騒音を引き起こすばかりか、機関の破壊に至るおそれがあるという不都合がある。
特開２００５−２７３５１３号公報 特開２００１−１５２８５３号公報 特開２００２−１８０８６４号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、過給器を備え、過給時に混合気の急激燃焼を防止することができると共に、高負荷に対応す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。

予混合圧縮着火内燃機関では、過給時における混合気の急激な燃焼を抑制するために、上死点後に安定して着火させることが有効であると考えられる。上死点後には、ピストンが下降に転じているために、圧力上昇を緩和する効果を得ることができる。ところが、上死点後は筒内の温度が下がり、着火のためのエネルギー蓄積が少なくなるので、上死点後に安定的に着火させることは非常に困難になる。

前記混合気を上死点後に着火させるために、上死点の直前に、圧縮による以外のエネルギーを注入すると、上死点後にもエネルギーの蓄積が加速度的に行われ、安定に着火させることができることが知られている。前記圧縮による以外のエネルギーの注入として、人為的には電気エネルギーの注入や既燃ガスの注入が考えられるが、このようにするときには、装置が複雑になり出力損失が避けられない。

そこで、上死点の直前で、前記混合気に冷炎を発生させることが考えられる。前記冷炎の発熱量は、前述のように燃料の構造により影響を受ける。例えば、ガソリン等の燃料は、大気条件から圧縮したのではほとんど冷炎を発生しないことが知られている。ところが、本発明者らの検討によれば、圧縮開始時の混合気の温度が低く、圧縮開始時の混合気の圧力が高いほど、前記冷炎の発熱量が大きくなることが判明した。本発明者らは、さらに検討を重ね、前記知見に基づいて前記冷炎の発熱量を大きくすることにより上死点後に着火が可能になることを確認した。

そこで、前記目的を達成するために、本発明の予混合圧縮着火内燃機関は、過給器と、該過給器により供給される吸気と大気との熱交換を行う熱交換器と、主燃焼前に冷炎を発生させるように過給圧と吸気温度とを制御する過給圧−吸気温度制御手段と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、前記熱交換器により前記過給器により過給される吸気を冷却して、該吸気の温度を下げると共に、前記過給圧−吸気温度制御手段により、該過給器により過給される該吸気の圧力と温度とを制御する。このようにすることにより、前記吸気が燃料と混合されることにより生成する混合気の主燃焼の前に冷炎を発生させることができ、該冷炎の発熱量により該混合気を上死点後に安定に着火させることができる。

この結果、本発明の予混合圧縮着火内燃機関によれば、過給時の混合気の急激な燃焼を抑制して、緩慢な燃焼とすることができ、燃焼騒音や、機関損壊を回避しつつ、出力損失を低減することができる。従って、本発明の予混合圧縮着火内燃機関によれば、同騒音条件において熱効率を損なうことなく過給を行うことができ、高負荷に対応することができる。

本発明の予混合圧縮着火内燃機関において、前記過給圧−吸気温度制御手段は、クランクの作用角が上死点前１３°から上死点までの範囲の角度で前記冷炎を発生させるように、過給圧と吸気温度とを制御することが好ましい。クランクの作用角が前記範囲の角度であるときに前記冷炎を発生させることにより、上死点後に確実に前記混合気の主燃焼を起こすことができる。

また、本発明の予混合圧縮着火内燃機関において、前記過給圧−吸気温度制御手段は、前記冷炎による発熱量が総発熱量の２％以上となるように、過給圧と吸気温度とを制御することが好ましい。前記冷炎による発熱量を総発熱量の２％以上とすることにより、上死点後に確実に前記混合気を着火させることができる。

また、本発明の予混合圧縮着火内燃機関において、前記過給圧−吸気温度制御手段は、前記冷炎の発生により、混合気の温度が３０℃以上上昇するように、過給圧と吸気温度とを制御することが好ましい。前記冷炎の発生により、混合気の温度を３０℃以上上昇させることにより、上死点後に確実に前記混合気を着火させることができる。

また、本発明の予混合圧縮着火内燃機関においては、上記いずれかの方法により、主燃焼を上死点後に発生させることが好ましい。この結果、本発明の予混合圧縮着火内燃機関では、燃焼を緩慢化させることができる。

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に示すように、本実施形態の予混合圧縮内燃機関１は、シリンダ２内に上下動自在に設けられたピストン３を備え、シリンダ２とピストン３とシリンダヘッド４との間に燃焼室５が形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室５に連通する吸気ポート６と排気ポート７とが形成されていると共に、各ポート６，７を開閉する吸気バルブ８と排気バルブ９とが設けられている。吸気ポート６には、燃料噴射弁１０が設けられている。

吸気ポート６は上流側で吸気通路１１に連通しており、吸気通路１１には、過給器１２と、過給器１２の下流側で過給される吸気を大気と熱交換して冷却する熱交換器としてのインタークーラー１３とが設けられている。また、吸気通路１１には、インタークーラー１３を迂回するバイパス通路１４が接続されており、バイパス通路１４には流量調整バルブ１５が設けられている。

予混合圧縮内燃機関１は、さらに、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ等により構成される電子制御ユニット１６を備えている。電子制御ユニット１６は、過給器１２の上流側の吸気通路に設けられたエアフローメーター１７が検出する吸気量信号、アクセル開度センサ１８が検出する負荷信号、ピストン３に設けられたクランク角センサ１９が検出する機関回転数信号の入力を検知して、燃料噴射弁１０、過給器１２、流量調整バルブ１５に制御信号を出力する。

本実施形態では、前記熱交換器として吸気を大気と熱交換して冷却するインタークーラー１３を用いているが、前記熱交換器は吸気を冷却水と熱交換するものを用いてもよい。また、図１に示す過給器１２は機械式過給器であるが、ターボ過給器を用いてもよい。

本実施形態の予混合圧縮内燃機関１では、電子制御ユニット１６に制御されて燃料噴射弁１０から噴射される燃料と、吸気通路１１から過給器１２、インタークーラー１３を介して供給される吸気とが、吸気ポート６内で混合されて混合気を生成する。そして、前記混合気が、吸気ポート６から燃焼室５に供給され、ピストン３に圧縮されることにより着火、燃焼する。排気は、排気ポート７から排出される。

このとき、予混合圧縮内燃機関１では、電子制御ユニット１６により、過給器１２及び流量調整バルブ１５を制御して、ピストン３に圧縮された前記混合気が、燃焼室内５で着火して主燃焼を起こす前に冷炎を発生させるように過給圧と吸気温度とを制御する。電子制御ユニット１６は、具体的には、クランクの角度（作用角）が上死点前１３°から上死点までの範囲の角度で前記冷炎を発生させるように、過給圧と吸気温度とを制御する。また、電子制御ユニット１６は、具体的には、前記冷炎による発熱量が総発熱量の２％以上となるか、該冷炎の発生により、混合気の温度が３０℃以上上昇するように、過給圧と吸気温度とを制御する。

次に、圧縮比１２、機関回転数１５００ｒｐｍのときに、過給圧８０ｋＰａ、吸気温度４０℃としたときのクランク角度と熱発生率との関係を図２に示す。尚、図２において、クランク角度０°は上死点を示し、マイナスは上死点前、プラスは上死点後を示す。

図２から、過給圧と吸気温度とを前記のように制御することにより、クランクの角度が上死点前１３°から上死点までの範囲で前記冷炎が発生し、上死点後に主燃焼が起きていることが明らかである。

次に、圧縮比１３、機関回転数１５００ｒｐｍにおいて、過給圧と吸気温度とを変えて前記混合気の上死点後における着火の可否及び、最大圧力上昇率を０．５ＭＰａ／度以下、ＮＯ_x排出を１０ｐｐｍ以下の条件としたときの最大到達図示有効圧力を図３に示す。図３中、着火可を○、着火不可を×として示すと共に、図示有効圧力をｋＰａを単位とする数値で示す。

図３から、前記混合気は、過給圧と吸気温度とを図３のラインＡ，Ｂ，Ｃに囲まれた領域とすることにより、上死点後に着火させうることが明らかである。前記領域に対してラインＡより外側では吸気温度が不足し、圧縮後も冷炎反応が起こる温度に到達しない。また、前記領域に対してラインＢより外側では冷炎の発熱量が不足であり、主燃焼に至らない。また、前記領域に対してラインＣより外側では吸気温度が高く、上死点前で主燃焼が生じるようになる。

前記最大到達図示有効圧力は、図３のラインＡ，Ｂ，Ｃに囲まれた領域で高い値を取ることができ、過給圧と吸気温度とをさらに精密に制御することにより、１０００ｋＰａ以上の非常に高い値とすることができ、前記条件のもとで予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。

電子制御ユニット１６は、前記混合気が上死点後に着火可能な過給圧と吸気温度との領域を、所定の範囲の圧縮比及び機関回転数について、図３に示すようなマップとして持つことにより、該過給圧と該吸気温度とを制御することができる。

次に、実施例として、圧縮比１２、機関回転数２０００ｒｐｍ、過給圧１３０ｋＰａ、圧縮開始時温度７０℃、着火時期フィードバック制御ありの条件で、予混合圧縮着火内燃機関１の運転を行った。この結果、図示有効圧力１０５０ｋＰａ、最大圧力上昇率０．５ＭＰａ／度以下、最大圧力８ＭＰａ以下、ＮＯ_x濃度１０ｐｐｍ以下、排気温度４００℃以上であった。

前記結果は、燃焼騒音低減、機関損壊防止、排気エミッション、後処理の条件として十分に受容できるものであり、予混合圧縮着火内燃機関１の高効率化、小型化、コスト低減を実現できるものであることが明らかである。

本発明の予混合圧縮着火内燃機関の一実施形態を示す説明的断面図。 クランク角度と熱発生率との関係を示すグラフ。 過給圧と吸気温度とによる混合気の着火可能領域の一例を示すグラフ。

符号の説明

１…予混合圧縮着火内燃機関、 ３…ピストン、 ６…吸気ポート、 １１…吸気通路、 １２…過給器、 １３…インタークーラー、 １６…電子制御ユニット。

Claims (5)

1. 過給器と、該過給器により供給される吸気との熱交換を行う熱交換器と、主燃焼前に冷炎を発生させるように過給圧と吸気温度とを制御する過給圧−吸気温度制御手段とを備えることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
2. 前記過給圧−吸気温度制御手段は、クランクの作用角が上死点前１３°から上死点までの範囲の角度で前記冷炎を発生させるように、過給圧と吸気温度とを制御す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。
3. 前記過給圧−吸気温度制御手段は、前記冷炎による発熱量が総発熱量の１．５％以上となるように、過給圧と吸気温度とを制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載の予混合圧縮着火内燃機関。
4. 前記過給圧−吸気温度制御手段は、前記冷炎の発生により、混合気の温度が３０℃以上上昇するように、過給圧と吸気温度とを制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の予混合圧縮着火内燃機関。
5. 前記主燃焼を上死点後に発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の予混合圧縮着火内燃機関。
   

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