JP2011111897A - 予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷の状態になっても、混合気の燃焼温度を低く抑えられるようにして混合圧縮着火の運転範囲を拡大できるようにする。
【解決手段】予混合圧縮着火運転が行われ、且つ、排ガス９の一部をＥＧＲパイプ１２により取出してＥＧＲクーラ１３で冷却し、冷却した排ガス９をＥＧＲバルブ１４を介して吸気ダクト５の吸気６に混合するＥＧＲ装置１５が備えられたエンジン１において、ＥＧＲ装置１５のＥＧＲクーラ１３の結露水を回収して貯留する貯留タンク１９と、貯留タンク１９の結露水を吸気ダクト５内の吸気６に添加して水滴を気筒３に送り込むようにした結露水供給装置２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置に関する。

従来より、自動車のエンジンなどでは、排ガス側から排ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われている。

ただし、排ガスの再循環によりＮＯxの低減化を図ることは、気筒内での燃焼不良により黒煙及び粒子状物質(ＰＭ：Particulate Matter)が発生することとトレードオフの関係にあるため、粒子状物質の発生を抑制する観点から排ガスの再循環量には制限がかかるという不具合があり、単純に排ガスの再循環を制御するだけでは負荷の変動に対してＮＯxの低減化を効果的に達成することは困難である。

このため、近年においては、通常であれば圧縮上死点近辺で行われるべき燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行い、気筒内への燃料の先行投入により燃料の予混合化を促進させてから圧縮して自然着火燃焼させる予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous-Charge Compression-Ignition）を用いたシステムが検討されている。

予混合圧縮着火システムによる燃焼では、燃料が良好に分散混合されて均等に薄まった状態で燃焼が行われることになるため、燃焼温度が比較的低く抑制されてＮＯxの発生が少なくなり、しかも、局所的に燃料の濃い部分が生じ難くなることによって黒煙及び粒子状物質の発生も抑制できることが期待される。

しかし、予混合圧縮着火システムでは、気筒内の温度、混合気の空燃比、燃料のオクタン価などの種々様々の要因によって混合気の化学反応（酸化反応）の進み方が変化するため、混合気の燃焼時期（着火時期）を如何にして適切なタイミングに制御するかが重要な課題となっている。即ち、予混合圧縮着火システムでは、混合気の燃料の濃度が低く燃焼温度が低い場合にのみ着火時期の制御が可能であり、よって、前記予混合圧縮着火は低回転、軽負荷の狭い運転領域でしか成立しないという課題があった。

このため、前記予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）に加えて前記排ガス再循環（ＥＧＲ）を同時に行うと、吸気に排ガスのＣＯ₂が付加されることで燃焼が緩慢になり、燃焼温度の急激な上昇が抑えられるため、ある程度負荷が増加してもＮＯxの発生を抑制できることから、予混合圧縮着火の運転範囲を軽負荷から低回転・中負荷の範囲まで広げることができる。

このように予混合圧縮着火と同時に排ガス再循環を行うようにしたものとしては、例えば特許文献１に示されるものがある。特許文献１の技術では、低温低圧の排ガスを再循環する低圧ＥＧＲパイプと、高温高圧の排ガスを再循環する高圧ＥＧＲパイプとを備え、高負荷を除く運転状態にて排ガスを再循環しながら予混合圧縮着火を併用するに際し、高負荷から中負荷までの運転状態では低圧ＥＧＲパイプを選択して、インタクーラなどを介し冷却された低温低圧の排ガスを再循環し、低負荷から零負荷までの運転状態では高圧ＥＧＲパイプに切り換えて排ガスマニホールドから吸気マニホールドへ高温高圧の排ガスを直接再循環するようにして、低負荷領域で失火が起こり易くなる問題を吸気温度の上昇による着火支援で解消し、予混合圧縮着火の併用によるＮＯxと黒煙の同時低減化を実現するようにしている。

特開２００２−０２１６２５号公報

ところで、予混合圧縮着火システムにおいて回転数や出力トルクの変化速度が比較的大きなものとなる過渡運転状態では、予混合圧縮着火システムの運転制御の遅れによって、混合気の着火時期が適切な着火時期に対してずれを生じやすい。これは、過渡運転状態では、予混合圧縮着火システムの運転に関する操作量（制御入力）を決定する時と、その操作量に応じた予混合圧縮着火システムの実際の運転が行なわれる時との間で予混合圧縮着火システムの運転状態が変化してしまうためである。従って、予混合圧縮着火システムの過渡運転状態において、混合気の着火時期を適切な着火時期に制御するためには、上記した運転制御の遅れの影響を補償することが望ましい。

一方、特許文献１に示すように、混合圧縮着火と同時に排ガス再循環を行うようにした場合の熱発生のパターンは、新気に対する排ガスの還流割合（以下、ＥＧＲ率という）に応じて大きく変化し、ＥＧＲ率が低いときには過早な着火（ノッキングの問題）が見られ、この着火のタイミングはＥＧＲ率が高くなるほど遅角側に移動する。又、排ガス中のＮＯxの濃度は、ＥＧＲ率の増大とともに低下する。

このことから、ＥＧＲによって予混合気の過早な着火を回避し、且つ燃焼に伴うＮＯxの生成を実質的に阻止することにより、燃料噴射量が増加しても予混合圧縮着火燃焼を行えるようにすることが考えられるが、実際には、燃料噴射量が多くなる（負荷が大きくなる）と、それに見合うだけの空気が必要になり、その分、吸気中に還流させることのできる排ガスの割合が少なくなることから、必要な量の排ガスを還流できなくなる。従って、負荷が大きくなると、排ガスの還流量が少なくなることで燃焼温度が上昇し、予混合気の過早な着火が回避できなくなるために、結局、高負荷までの広い運転範囲での予混合圧縮着火は実現することができなかった。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、高負荷の状態になっても、混合気の燃焼温度を低く抑えられるようにして混合圧縮着火の運転範囲を拡大できるようにした予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置を提供することを目的とする。

本発明の予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置は、予混合圧縮着火運転が行われ、且つ、排ガスの一部をＥＧＲパイプにより取出してＥＧＲクーラで冷却し、冷却した排ガスをＥＧＲバルブを介して吸気ダクトの吸気に混合するＥＧＲ装置が備えられた予混合圧縮着火システムにおいて、ＥＧＲ装置のＥＧＲクーラの結露水を回収して貯留する貯留タンクと、該貯留タンクの結露水を前記吸気ダクト内の吸気に添加して水滴を気筒に送り込むようにした結露水供給装置とを備えたことを特徴とする。

而して、本発明の予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置によれば、燃料が良好に分散混合されて均等に薄まった状態で燃焼が行われる予混合圧縮着火において、ＥＧＲ装置による排ガス再循環により緩慢な燃焼を行わせ、更に、これに加えてＥＧＲクーラの結露水を回収して結露水供給装置により吸気ダクト内の吸気に添加するようにしたので、添加した結露水の水滴が気筒に送り込まれて蒸発する際の潜熱によって混合気を冷却することで、負荷上昇時の燃焼温度の上昇を抑制することができ、よって、予混合圧縮着火システムの運転範囲を高い負荷域まで広げることが可能になる。

上記予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置において、前記ＥＧＲクーラを下流のＥＧＲバルブに向けて高さが低くなるように傾斜配置し、前記ＥＧＲパイプにおけるＥＧＲバルブの上流側底部に露結水を受ける集水凹部を備え、該集水凹部の結露水が前記貯留タンクに流入するようにしてもよい。

又、上記予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置において、前記ＥＧＲクーラが第１段クーラと第２段クーラとからなる二段式クーラであってもよい。

又、上記予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置において、前記吸気ダクトの内部における結露水の添加位置よりも下流側位置に通気構造の添加水捕捉板を設け、該添加水捕捉板で添加水を捕捉して成長した水滴が吸気の流れにより離脱して気筒に送り込まれるようにしてもよい。

本発明の予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置によれば、混合圧縮着火と排ガス再循環に加えて、ＥＧＲクーラの結露水を回収して結露水供給装置により吸気ダクト内の吸気に添加するようにしたので、添加した結露水の水滴が気筒に送り込まれて蒸発する際の潜熱によって混合気を冷却することで、負荷上昇時の燃焼温度の上昇を抑制することができ、よって、予混合圧縮着火システムの運転範囲を高い負荷域まで拡大できるという優れた効果を奏し得る。

更に、ＥＧＲクーラの結露水を回収して結露水供給装置により吸気ダクト内の吸気に添加するようにしたので、水添加のための水を別個に用意し又補給する必要がなく、ＥＧＲクーラから回収される結露水によって自前で水添加が行うことができる効果がある。

本発明を実施する予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置の一実施例を示す概略平面図である。 図１のＥＧＲ装置を展開して示した背面図である。 図１に示した添加水捕捉板の詳細を示す拡大斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１は本発明を実施する予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置の一実施例を示す概略平面図であり、図１中、１は予混合圧縮着火システムを用いたディーゼルエンジンの場合を示している。このエンジン１は、通常のエンジンよりも圧縮比が低めに設定されており、制御器２からの指令によって、圧縮上死点よりも早いタイミングで各気筒３（図１では直列６気筒の場合を例示している）に燃料噴射を行い、気筒３内への燃料の先行投入によって燃料の予混合化を促進させてから圧縮を行って自然着火燃焼させる予混合圧縮着火を行うようになっている。

上記エンジン１には、ターボチャージャ４が備えてあり、図示しないエアクリーナから吸気ダクト５に導かれた吸気６が前記ターボチャージャ４のコンプレッサ４ａへと送られ、該コンプレッサ４ａで加圧された吸気６がインタクーラ７へと送られて冷却され、該インタクーラ７で冷却された吸気６は吸気ダクト５を介して吸気マニホールド８へ導かれてエンジン１の各気筒３に分配されるようになっている。

更に、エンジン１の各気筒３から排出された排ガス９は、排ガスマニホールド１０を介しターボチャージャ４のタービン４ｂへと送られ、該タービン４ｂを駆動した排ガス９は排ガス管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。

又、エンジン１には、排ガスマニホールド１０からの排ガス９の一部を取り出して前記吸気マニホールド８入口の吸気ダクト５に導くためのＥＧＲパイプ１２と、該ＥＧＲパイプ１２に備えて排ガス９を冷却するＥＧＲクーラ１３と、冷却した排ガス９を吸気ダクト５に再循環する量を調節するための開閉自在なＥＧＲバルブ１４とからなるＥＧＲ装置１５が備えられている。

図１に示すＥＧＲ装置１５は、エンジン１の側部に配置される水冷式の第１段クーラ１３ａとエンジン１の前面に配置される空冷式の第２段クーラ１３ｂとを有する二段式クーラからなるＥＧＲクーラ１３を備えた場合を示している。

そして、上記ＥＧＲクーラ１３は、図１のＥＧＲ装置１５を展開して示した背面図である図２に示すように、前記ＥＧＲクーラ１３への排ガス導入部１６の高さが最も高く、ＥＧＲバルブ１４側の高さが最も低くなるように直線状に所要の下り角度Ｙで傾斜配置されている。そして、上記したように下り角度Ｙで傾斜しているＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲパイプ１２の内底面は、結露水が流下し易いように凹みを有しない平坦面としている。

前記ＥＧＲパイプ１２におけるＥＧＲバルブ１４の直上流の底面には、ＥＧＲクーラ１３内において結露した結露水を流入させて回収する集水凹部１７が形成してあり、更に、該集水凹部１７には、水平或いは下り傾斜の給水管１８を介して貯留タンク１９が接続されており、前記集水凹部１７で回収された結露水が貯留タンク１９に貯留されるようになっている。尚、上記集水凹部１７は結露水を取り込むことができれば良いので、その形状、大きさ等は任意に選定することができ、例えばＥＧＲバルブ１４の直上流の底部に、単に給水管１８の端部を取り付けた構成としても良い。又、図２では前記ＥＧＲバルブ１４がバタフライ型弁１４ａである場合について例示したが、前記ＥＧＲバルブ１４はポペット型弁或いはクラビ型弁であってもよい。

更に、図１、図２に示すように、貯留タンク１９には、該貯留タンク１９に貯留された結露水を送給するポンプ２０と、該ポンプ２０からの結露水を前記吸気マニホールド８入口の吸気ダクト５に添加するようにした添加ノズル２１とからなる結露水供給装置２２を設けている。前記ポンプ２０によって貯留タンク１９の結露水を取り出す取出部にはフィルタ２３を設けている。前記添加ノズル２１は前記吸気ダクト５に結露水をスプレー噴射する噴射ノズルであっても良いが、吸気ダクト５に供給する結露水は粒径が大きい方が好ましく、従って、添加ノズル２１は結露水を単に吸気ダクト５内に流出させるようにした簡単な構成とすることができる。尚、図１、図２では、ポンプ２０からの結露水を吸気ダクト５に添加する場合を例示したが、前記ＥＧＲバルブ１４より下流のＥＧＲパイプ１２に結露水を添加するようにしてもよい。

又、図１、図２では第１段クーラ１３ａと第２段クーラ１３ｂとを備えた二段式のＥＧＲクーラ１３の場合について説明したが、１つのＥＧＲクーラからなる場合にも同様に適用することができる。

更に、図１に示すように、前記吸気ダクト５内における結露水の添加位置よりも下流側位置には通気構造の添加水捕捉板２４を吸気６の流れに対して斜めに配置している。図３の添加水捕捉板２４は吸気６の流れ方向に長い菱形の開口２４ａを多数形成した網目状の菱形格子２４ｂの場合を示しており、前記添加水捕捉板２４は吸気６に添加された添加水を捕捉するようにしており、捕捉により成長した水滴は吸気６の流れによって添加水捕捉板２４から離脱して気筒３に送り込まれるようにしている。

上記したように、前記エンジン１には、燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令して予混合圧縮着火を行う制御器２と、排ガス９を吸気６に再循環供給するＥＧＲ装置１５と、ＥＧＲクーラ１３から回収した結露水を吸気６に供給する結露水供給装置２２とからなる燃焼温度制御装置が構成されている。

前記制御器２は、圧縮上死点よりも早いタイミングでエンジン１の各気筒３に燃料を噴射する燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令して予混合圧縮着火を行うようにしていると共に、ＥＧＲバルブ１４により新気の吸気６に対する排ガス９の還流割合（ＥＧＲ率）を調整する指令を行い、更に、該貯留タンク１９に貯留された結露水をポンプ２０により添加ノズル２１に送給して吸気ダクト５に添加する結露水の添加量を調節する指令を行うようになっている。

而して、エンジン１の無負荷から低負荷までの運転状態においては、前記制御器２によって予混合圧縮着火による運転が指令される。予混合圧縮着火による運転において、例えば気筒３の混合気の燃焼温度を２０００゜Ｋ（ケルビン）以下に保持した場合には、ＮＯxの生成が抑えられると共に、燃料が良好に分散混合されて均等に薄まった状態の混合気によって燃焼むらを生じることなく燃焼することにより粒子状物質の生成が抑えられる。予混合圧縮着火では、多点着火が起こり、着火点から隣接する分子への新たな着火が生じると共に、着火点の着火でガスが膨張した分隣接する分子への圧力が増加し加熱することで新しく着火するという火炎伝播が起こることにより、燃焼むらのない燃焼が行われる。

エンジン１の無負荷から中負荷までの運転状態においては、前記制御器２によって予混合圧縮着火による運転に加えて、負荷に応じてＥＧＲバルブ１４の開度を調整して所要の排ガス９を吸気６に再循環させる運転が指令される。排ガス再循環では、着火点の燃焼が、再循環の排ガス９のＣＯ₂ガス分子と出会うことにより燃焼が止まる。従って、排ガス再循環では燃焼が緩慢となり、燃焼温度の上昇が抑えられることによって中負荷においてもＮＯxの生成が抑制され、又、前記予混合圧縮着火によるむらのない燃焼によって粒子状物質の生成は抑制される。

上記排ガス再循環によって、高負荷時での運転を行おうとした場合には、ＮＯxの生成を抑制できる量の排ガス９を還流させる必要があるが、高負荷時には燃焼のための空気が増加する分だけ還流させることのできる排ガス９の割合が減少する。従って、高負荷になると、還流される排ガス９の量が不足することにより燃焼温度が上昇し、予混合気の過早な着火が回避できなくなるために、高負荷までの広い運転範囲で予混合圧縮着火を実現することはできなくなる。

これに対し、エンジン１の中負荷から高負荷までの運転状態においては、前記制御器２によって前記予混合圧縮着火による運転と、負荷に応じてＥＧＲバルブ１４の開度を調整して所要の排ガス９を吸気６に再循環させる運転とに加えて、ＥＧＲクーラ１３の結露水を回収する貯留タンク１９からの結露水をポンプ２０により添加ノズル２１に送って吸気６に添加する運転が指令される。このとき、吸気６に添加する結露水の添加量はエンジン１の負荷に応じて調節し、負荷の増加に伴い結露水の添加量は増加される。

吸気６に添加された結露水の水滴は、気筒３の内部まで送り込まれ、気筒３内で蒸発されるがこの蒸発潜熱によって混合気は冷却され、負荷上昇時の燃焼温度の上昇が抑制される。吸気６への結露水の添加では、着火点の燃焼が隣接する水滴と出会うことで水滴を蒸発させて気化させ、このとき蒸発潜熱によって冷却されることで燃焼は止まる。水滴は気化することで高膨張し、膨張分の仕事をするようになる。

このように、吸気６への結露水の添加により、気筒３内の混合気の燃焼温度を制御することが可能になり、高負荷においても、燃焼温度を抑制してＮＯxの生成を抑制することができ、且つ、混合圧縮着火によって粒子状物質の発生を抑制できるので、予混合圧縮着火システムの運転範囲を高負荷域まで安定して拡大できるようになる。

又、図１、図３に示すように、吸気ダクト５内における結露水の添加位置よりも下流側位置に通気構造の添加水捕捉板２４を設置すると、該添加水捕捉板２４によって添加水が捕捉されて成長し、成長した水滴が吸気６の流れにより添加水捕捉板２４から離脱して気筒３に送り込まれるようになるので、粒径の大きい水滴が気筒３に送り込まれ易くなり蒸発潜熱による冷却の効果を高められるようになる。

更に、ＥＧＲクーラ１３の結露水を回収して結露水供給装置２２により吸気ダクト５内の吸気６に添加するようにしたので、水添加のための水を別個に用意し又補給する必要がなく、ＥＧＲクーラ１３から回収される結露水によって自前で水添加が行うことができる。

尚、本発明の予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ エンジン（予混合圧縮着火システム）
３ 気筒
５ 吸気ダクト
６ 吸気
９ 排ガス
１２ ＥＧＲパイプ
１３ ＥＧＲクーラ
１３ａ 第１段クーラ
１３ｂ 第２段クーラ
１４ ＥＧＲバルブ
１５ ＥＧＲ装置
１７ 集水凹部
１９ 貯留タンク
２１ 添加ノズル
２２ 結露水供給装置
２４ 添加水捕捉板
Ｙ 角度

Claims (4)

1. 予混合圧縮着火運転が行われ、且つ、排ガスの一部をＥＧＲパイプにより取出してＥＧＲクーラで冷却し、冷却した排ガスをＥＧＲバルブを介して吸気ダクトの吸気に混合するＥＧＲ装置が備えられた予混合圧縮着火システムにおいて、ＥＧＲ装置のＥＧＲクーラの結露水を回収して貯留する貯留タンクと、該貯留タンクの結露水を前記吸気ダクト内の吸気に添加して水滴を気筒に送り込むようにした結露水供給装置とを備えたことを特徴とする予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置。
2. 前記ＥＧＲクーラを下流のＥＧＲバルブに向けて高さが低くなるように傾斜配置し、前記ＥＧＲパイプにおけるＥＧＲバルブの上流側底部に露結水を受ける集水凹部を備え、該集水凹部の結露水が前記貯留タンクに流入するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置。
3. 前記ＥＧＲクーラが第１段クーラと第２段クーラとからなる二段式クーラであることを特徴とする請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置。
4. 前記吸気ダクトの内部における結露水の添加位置よりも下流側位置に通気構造の添加水捕捉板を設け、該添加水捕捉板で添加水を捕捉して成長した水滴が吸気の流れにより離脱して気筒に送り込まれるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火システムの燃焼温度制御装置。

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