JP2011157861A - 圧縮着火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】着火性の異なる２種類の燃料を用い、低負荷時にも着火時期を適正にして熱効率を向上でき、ＮＯｘの排出量を低減することができる圧縮自着火内燃機関を提供する。
【解決手段】圧縮着火内燃機関１は、着火性の低い第１の燃料の貯留手段７と、着火性の高い第２の燃料の貯留手段９と、第１の燃料を吸気ポート４に噴射する第１の燃料噴射手段６と、第２の燃料を燃焼室２内に直接噴射する第２の燃料噴射手段８と、吸気弁４ａ及び排気弁５ａを排気行程と吸気行程との間で同時に閉弁すると共に、第１の燃料及び第２の燃料の噴射時期を制御する燃料噴射制御手段１０とを備える。燃料噴射制御手段１０は、圧縮行程において燃料噴射手段６，８から第１の燃料及び第２の燃料を噴射すると共に、負のオーバーラップの直前またはその間に燃料噴射手段８から第２の燃料を噴射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮着火内燃機関に関する。

近年、熱効率が高く、公害性が低いことから、ＨＣＣＩ及びＰＣＣＩに代表される希薄混合気の圧縮着火燃焼を用いる圧縮着火内燃機関が提案されている。前記圧縮着火内燃機関は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料との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ものである。

ところが、前記圧縮着火内燃機関は、火花点火方式の内燃機関と異なり前記混合気の着火を自着火により行うため、着火のタイミングを制御することが難しい。また、前記圧縮着火内燃機関は、高負荷のときには前記燃料の濃度が高くなってノッキングを起こしやすくなる一方、低負荷のときには該燃料の濃度が希薄になるために着火しにくく、失火しやすいという問題がある。

そこで、圧縮自着火可能な単一の燃料としてガソリンを用いるときに、吸気弁及び排気弁を排気行程と吸気行程との間で同時に閉弁する負のオーバーラップを設ける様にした圧縮着火内燃機関が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の圧縮着火内燃機関では、前記負のオーバーラップを設けることにより、前行程の燃焼ガスの一部が排気されることなく燃焼室内に残留し、該燃焼室内で若干圧縮される。この結果、次の吸気行程で前記燃焼室内に導入されるガソリンに対して、圧縮行程の前段階で初期反応を起こさせることができ、このようなガソリンを高温の燃焼室内で圧縮することにより、着火性を向上させることができるとされている。

一方、前記問題を解決するために、着火性の異なる２種類の燃料として、ガソリンと軽油とを用いる圧縮自着火内燃機関も知られている（例えば特許文献２参照）。特許文献２記載の圧縮着火内燃機関は、高負荷時には着火性の高い燃料（軽油）に対する着火性の低い燃料（ガソリン）の割合を高くし、低負荷時には着火性の低い燃料（ガソリン）に対する着火性の高い燃料（軽油）の割合を高くする。このようにすることにより、ある程度の着火時期の調整が可能であるとされている。

特開２００５−２２０８３９号公報 特開２００４−３０８４２３号公報

しかしながら、着火性の異なる２種類の燃料を用いる圧縮自着火内燃機関では、負荷に応じて着火性の高い燃料と着火性の低い燃料との割合を変えるだけでは着火性を十分に調整することが難しいという不都合がある。特に、低負荷時には、着火性の高い燃料の割合を高くしても十分な着火性を得られないことがあり、未燃燃料（ＴＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）の排出量が増加して熱効率の低下を避けることができない。また、着火性の高い燃料の割合を高くすると、着火時期が過度に進角して所望の時期に着火させることができないばかりか、局所的に燃料濃度が高くなるために燃焼温度が上昇し、窒素酸化物（以下、ＮＯｘと略記する）の排出量が増大してしまう。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、着火性の異なる２種類の燃料を用い、低負荷時にも着火時期を適正にして熱効率を向上させることができると共に、ＮＯｘの排出量を低減することができる圧縮自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、着火性の異なる２種類の燃料のうち、他方より着火性の低い第１の燃料を貯留する第１の燃料貯留手段と、他方より着火性の高い第２の燃料を貯留する第２の燃料貯留手段と、該第１の燃料貯留手段に貯留されている該第１の燃料を吸気ポートに噴射する第１の燃料噴射手段と、該第２の燃料貯留手段に貯留されている該第２の燃料を燃焼室内に直接噴射する第２の燃料噴射手段と、該燃焼室に設けられた吸気弁及び排気弁を排気行程と吸気行程との間で同時に閉弁すると共に、該第１の燃料及び該第２の燃料の噴射時期を制御する燃料噴射制御手段とを備える圧縮着火内燃機関において、該燃料噴射制御手段は、圧縮行程において該第１の燃料噴射手段及び該第２の燃料噴射手段からそれぞれ該第１の燃料及び該第２の燃料を噴射すると共に、該吸気弁及び該排気弁を同時に閉弁している間に該第２の燃料噴射手段から噴射された該第２の燃料が該燃焼室内で圧縮されて所定温度となることを可能とする時期に該第２の燃料噴射手段から該第２の燃料を噴射することを特徴とする。

本発明の圧縮自着火内燃機関では、まず圧縮行程において、前記燃料噴射制御手段により、前記第１の燃料噴射手段及び前記第２の燃料噴射手段からそれぞれ前記第１の燃料及び前記第２の燃料を噴射する。ここで、他方より着火性の低い前記第１の燃料は前記吸気ポートに噴射され、他方より着火性の高い前記第２の燃料は前記燃焼室内に直接噴射される。そして、前記のように噴射された前記第１の燃料及び前記第２の燃料により、通常の自着火燃焼が行われる。

本発明の圧縮自着火内燃機関は、前記通常の自着火燃焼による排気ガスが排気される排気行程と、次回のサイクルのための空気が吸気される吸気行程との間に、前記吸気弁及び前記排気弁を同時に閉弁する負のオーバーラップを備えている。そこで、次に、前記燃料噴射制御手段は、前記負のオーバーラップの間に前記第２の燃料噴射手段から噴射された前記第２の燃料が前記燃焼室内で圧縮されて所定温度となることを可能とする時期に、該第２の燃料噴射手段から該第２の燃料を噴射する。前記第２の燃料噴射手段から前記第２の燃料を噴射する時期は、前記負のオーバーラップの間又は、その直前である。

前記負のオーバーラップでは、前記吸気弁及び前記排気弁が同時に閉弁されているので、前記燃焼室内に残留している前記通常の自着火燃焼による排気ガスの一部が僅かながら圧縮され、該燃焼室内の温度が上昇するという内部ＥＧＲ（排気再循環）効果を得ることができる。そこで、前記のようにして前記第２の燃料噴射手段から噴射された前記第２の燃料は、前記燃焼室内の上昇した温度により気化して、該燃焼室内に均一に分散する。この結果、前記燃焼室内で、低温かつ燃料濃度の希薄な部分を無くすことができ、次回の自着火燃焼時に未燃燃料（ＴＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）の排出量が低下し、熱効率を向上させることができる。

また、前記のようにして前記第２の燃料噴射手段から噴射された前記第２の燃料は、前記負のオーバーラップの間に前記燃焼室内で圧縮されて所定温度となることにより、その一部が前記通常の自着火燃焼による排気ガスに含まれる酸素と反応してアルデヒドを生成する。前記アルデヒドは、次の吸気行程を経て次の圧縮行程まで前記燃焼室内に残留している。

ここで、前記アルデヒドは、自着火を抑制する作用を備えることが知られている。従って、前記アルデヒドの存在下に前記第１の燃料及び前記第２の燃料を圧縮することにより、着火時期が過度に進角することなく、適正な時期に着火させることができる。また、前記アルデヒドは、自着火を抑制する作用を備えると共に、燃焼を急速化する作用を備えることが知られている。この結果、前記第１の燃料及び前記第２の燃料は、圧縮上死点後の適正な時期に自着火すると共に、着火後の主燃焼は速やかに進行し、熱効率を向上させることができる。

さらに、前記のようにして前記第２の燃料噴射手段から噴射された前記第２の燃料は、前述のように、前記負のオーバーラップの間に前記燃焼室内で気化して該燃焼室内に均一に分散する。この結果、次回の圧縮行程では、前記燃焼室内に非常に希薄な混合気が形成されることとなり、次回の自着火燃焼時にＮＯｘ生成の原因となる燃料濃度が過度に高く、高温となる部分を無くすことができる。

従って、本発明の圧縮自着火内燃機関によれば、着火時期を適正にして熱効率を向上させることができると共に、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

本発明の圧縮自着火内燃機関において、前記第１の燃料は、前記２種類の燃料のうち他方より着火性の低い燃料であればどのような燃料であってもよいが、例えばガソリンを用いることができる。また、本発明の圧縮自着火内燃機関において、前記第２の燃料は、前記２種類の燃料のうち他方より着火性の高い燃料であればどのような燃料であってもよいが、例えば軽油を用いることができる。

また、本発明の圧縮自着火内燃機関において、前記負のオーバーラップの間に前記第２の燃料噴射手段から噴射された前記第２の燃料が該燃焼室内で圧縮されて所定温度となることを可能とする時期に該第２の燃料噴射手段から該第２の燃料を噴射する操作は、定常的に行ってもよいが、特に低負荷時に行うことが好ましい。この結果、本発明の圧縮自着火内燃機関では、低負荷時にも、着火時期を適正にして熱効率を向上させることができる。

また、本発明の圧縮自着火内燃機関において、前記負のオーバーラップの間に前記第２の燃料噴射手段から噴射された前記第２の燃料が前記燃焼室内で圧縮されて所定温度となることを可能とする時期に該第２の燃料噴射手段から該第２の燃料を噴射する操作は、特にＮＯｘを低減するときに行うことが好ましい。この結果、本発明の圧縮自着火内燃機関では、所要の時期に確実にＮＯｘの排出量を低減することができる。

本発明の圧縮自着火内燃機関の構成を示す説明的断面図。 負のオーバーラップを示すグラフ。 本発明の圧縮自着火内燃機関の一酸化炭素排出濃度を示すグラフ。 本発明の圧縮自着火内燃機関の窒素酸化物排出濃度を示すグラフ。 本発明の圧縮自着火内燃機関の燃焼室内の圧力（筒内圧力）及び熱発生率を示すグラフ。

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、本実施形態の圧縮自着火内燃機関１は、円筒状の燃焼室２と、燃焼室２の内壁に沿って摺動自在のピストン３とを備えており、燃焼室２の上部には吸気ポート４と、排気ポート５とが連通している。吸気ポート４は吸気弁４ａにより開閉自在とされており、排気ポート５は排気弁５ａにより開閉自在とされている。

吸気ポート４には、吸気ポート４内に第１の燃料としてのガソリンを噴射する第１の燃料噴射手段６が配設されており、第１の燃料噴射手段６はガソリンタンク７に接続されている。また、燃焼室２の上部の略中央部には、燃焼室２内に第２の燃料としての軽油を直接噴射する第２の燃料噴射手段８が配設されており、第２の燃料噴射手段８は軽油タンク９に接続されている。

また、圧縮自着火内燃機関１は、吸気弁４ａ、排気弁５ａ、第１の燃料噴射手段６、第２の燃料噴射手段８の作動を制御する制御装置１０を備えている。制御装置１０は、図示しないアクセルセンサ、トルクセンサからの出力信号、回転数、クランク角度、燃焼室２内の温度等を検知して、吸気弁４ａ、排気弁５ａ、第１の燃料噴射手段６、第２の燃料噴射手段８の作動を制御する。

次に、本実施形態の圧縮自着火内燃機関１の作動について説明する。

圧縮自着火内燃機関１では、まず圧縮行程において、制御装置１０が第１の燃料噴射手段６を介して吸気ポート４にガソリンを噴射すると共に、吸気弁４ａを開弁してガソリンを燃焼室２に導入する。また、同時に制御装置１０が第２の燃料噴射手段８を介して燃焼室２内に軽油を直接噴射する。前記ガソリン及び軽油は、燃焼室２内で気化すると共に、燃焼室２内の空気と混合気を形成し、さらに圧縮されることにより自着火する。

次に、圧縮自着火内燃機関１では、前記自着火後、膨張行程を経て排気行程に移行し、排気行程の終了後、吸気行程が始まるまでの間、制御装置１０が排気弁５ａを閉弁する。このとき、吸気弁４ａもまた閉弁されており、図２（ａ）に示すように、吸気弁４ａ及び排気弁５ａが排気行程と吸気行程との間で同時に閉弁されている負のオーバーラップの状態となる。

前記負のオーバーラップでは、吸気弁４ａ及び排気弁５ａが同時に閉弁されているので、燃焼室２内に残留している前記自着火燃焼による排気ガスの一部が僅かながら圧縮され、図２（ｂ）に示すように、燃焼室２内の圧力（筒内圧力）が上昇する。前記筒内圧力の上昇に伴い、燃焼室２内の温度も上昇し、これにより内部ＥＧＲ（排気再循環）効果を得ることができる。

そこで、圧縮自着火内燃機関１では、前記負のオーバーラップの間に、燃焼室２内に直接噴射された軽油が、燃焼室内２で圧縮されて所定温度となることを可能とする時期に、制御装置１０が第２の燃料噴射手段８を介して燃焼室２内に２回目の軽油の直接噴射を行う。前記２回目の軽油の直接噴射は、具体的には、前記負のオーバーラップの直前又は、負のオーバーラップの間に行う。

前記２回目の軽油の直接噴射を行う際には、燃焼室２内は前記内部ＥＧＲ効果により高温になっているので、噴射された軽油は直ちに気化して、燃焼室２内に均一に分散する。この結果、燃焼室２内で、低温かつ燃料濃度の希薄な部分を無くすことができ、後続の吸気行程及び圧縮行程の後、次回の自着火燃焼の際に未燃燃料（ＴＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）の排出量を低下させることができ、熱効率を向上させることができる。

また、前記２回目の軽油の直接噴射により燃焼室２内に導入された軽油は、前記負のオーバーラップの間に燃焼室２内で圧縮されて所定温度、例えば７００〜９００Ｋに加熱されることにより、その一部が前記自着火燃焼による排気ガスに含まれる酸素と反応してアルデヒドを生成する。前記アルデヒドは、後続の吸気行程の後、次の圧縮行程まで前記燃焼室２内に残留している。

この結果、次の圧縮行程では、前記アルデヒドの存在下、燃焼室２内に導入されたガソリン及び軽油を圧縮することにより、着火時期が過度に進角することなく、圧縮上死点後の適正な時期に自着火させることができる。また、このとき、前記アルデヒドの作用により、前記自着火後の主燃焼が速やかに進行するので、熱効率をさらに向上させることができる。

さらに、前記２回目の軽油の直接噴射により燃焼室２内に導入された軽油は、前述のように、前記負のオーバーラップの間に燃焼室２内で気化して燃焼室２内に均一に分散する。この結果、次の圧縮行程では、燃焼室２内に非常に希薄な混合気が形成されることとなり、次回の自着火燃焼の際にＮＯｘ生成の原因となる燃料濃度が過度に高く、高温となる部分を無くすことができる。

従って、本実施形態の圧縮自着火内燃機関１によれば、着火時期を適正にして熱効率を向上させることができると共に、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

次に、前記２回目の軽油の直接噴射を行った場合（実施例）と、前記２回目の軽油の直接噴射を全く行わなかった場合（比較例）との一酸化炭素排出濃度の相違を図３に、窒素酸化物排出濃度の相違を図４に示す。

図３、図４から、前記２回目の軽油の直接噴射を行った場合（実施例）には、前記２回目の軽油の直接噴射を全く行わなかった場合（比較例）に比較して、一酸化炭素排出濃度及び窒素酸化物排出濃度が格段に低減されることが明らかである。

次に、前記２回目の軽油の直接噴射を行った場合（実施例）と、前記２回目の軽油の直接噴射を全く行わなかった場合（比較例）との筒内圧力と、熱発生率との相違を図５に示す。図５から、前記２回目の軽油の直接噴射を行った場合（実施例）には、前記２回目の軽油の直接噴射を全く行わなかった場合（比較例）に比較して、圧縮上死点後の筒内圧力が高く、熱発生率も高くなることが明らかである。

本実施形態の圧縮自着火内燃機関１では、前記２回目の軽油の直接噴射を定常的に行ってもよいが、特に、制御装置１０が機関負荷が低負荷となったことを検知したときに行うことが好ましい。この結果、圧縮自着火内燃機関１によれば、低負荷時にも着火時期を適正にして優れた熱効率を得ることができる。

また、本実施形態の圧縮自着火内燃機関１では、前記２回目の軽油の直接噴射を、制御装置１０が窒素酸化物（ＮＯｘ）排出濃度が上昇する条件を検知したときに行うようにしてもよい。この結果、圧縮自着火内燃機関１によれば、ＮＯｘ排出濃度を確実に低減することができる。

１…圧縮自着火内燃機関、 ２…燃焼室、 ４…吸気ポート、 ４ａ…吸気弁、 ５ａ…排気弁、 ６…第１の燃料噴射手段、 ７…ガソリンタンク、 ８…第２の燃料噴射手段、 ９…軽油タンク、 １０…制御装置。

Claims (4)

1. 着火性の異なる２種類の燃料のうち、他方より着火性の低い第１の燃料を貯留する第１の燃料貯留手段と、
   他方より着火性の高い第２の燃料を貯留する第２の燃料貯留手段と、
   該第１の燃料貯留手段に貯留されている該第１の燃料を吸気ポートに噴射する第１の燃料噴射手段と、
   該第２の燃料貯留手段に貯留されている該第２の燃料を燃焼室内に直接噴射する第２の燃料噴射手段と、
   該燃焼室に設けられた吸気弁及び排気弁を排気行程と吸気行程との間で同時に閉弁すると共に、該第１の燃料及び該第２の燃料の噴射時期を制御する燃料噴射制御手段とを備える圧縮着火内燃機関において、
   該燃料噴射制御手段は、圧縮行程において該第１の燃料噴射手段及び該第２の燃料噴射手段からそれぞれ該第１の燃料及び該第２の燃料を噴射すると共に、該吸気弁及び該排気弁を同時に閉弁している間に該第２の燃料噴射手段から噴射された該第２の燃料が該燃焼室内で圧縮されて所定温度となることを可能とする時期に該第２の燃料噴射手段から該第２の燃料を噴射することを特徴とする圧縮着火内燃機関。
2. 請求項１記載の圧縮着火内燃機関において、前記第１の燃料はガソリンであり、前記第２の燃料は軽油であることを特徴とする圧縮着火内燃機関。
3. 請求項１または請求項２記載の圧縮着火内燃機関において、前記燃料噴射制御手段は、低負荷時に、前記吸気弁及び前記排気弁を同時に閉弁する直前または該吸気弁及び該排気弁を同時に閉弁している間に前記第２の燃料噴射手段から前記第２の燃料を噴射することを特徴とする圧縮着火内燃機関。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の圧縮着火内燃機関において、前記燃料噴射制御手段は、燃焼により生成するＮＯｘの増加時に、前記吸気弁及び前記排気弁を同時に閉弁する直前または該吸気弁及び該排気弁を同時に閉弁している間に前記第２の燃料噴射手段から前記第２の燃料を噴射することを特徴とする圧縮着火内燃機関。

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