JP3206280B2 - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

圧縮着火式内燃機関

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JP3206280B2 JP04009594A JP4009594A JP3206280B2 JP 3206280 B2 JP3206280 B2 JP 3206280B2 JP 04009594 A JP04009594 A JP 04009594A JP 4009594 A JP4009594 A JP 4009594A JP 3206280 B2 JP3206280 B2 JP 3206280B2
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    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30Controlling fuel injection
    • F02D41/3094Controlling fuel injection the fuel injection being effected by at least two different injectors, e.g. one in the intake manifold and one in the cylinder
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B1/12Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、着火性の異なる2種類
の燃料の供給する圧縮着火式内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術とその解決すべき課題】火花点火式内燃機
関は、燃焼室に設けた点火プラグによりガソリン燃料の
予混合気に着火して主としてその乱流火炎の伝搬により
燃焼を行わせるものであり、その欠点として高負荷時に
は点火プラグから遠い燃焼最終領域にて燃料の自己着火
によりノッキングが発生すること、したがって熱効率向
上のための高圧縮比化が難しいことがあげられる。
【0003】また、部分負荷時には燃焼最終領域がシリ
ンダ壁面上やトップランドクレビス域(ピストントップ
ランドとシリンダ壁面との間の溝状領域)等の低温部と
なるため未燃HCの排出量が多く、またNOxが高濃度
となる熱発生パターンとなるというエミッション上の問
題点もある。
【0004】これに対して圧縮着火式内燃機関では高圧
縮率により高温化した燃焼室に軽油等の自己着火性の高
い燃料を噴射供給してこれを主として拡散燃焼により燃
焼させるものであり、火花点火式のような高負荷時のノ
ッキングは発生しないが、空気利用率が低くて比出力が
小さく、低負荷時には初期噴射燃料により形成される予
混合燃料の燃焼により特有のノッキング音が発生すると
いう欠点がある。また、エミッション上はHCの排出量
は僅少であるが、特に高負荷域でのスモークやNOxの
発生が問題となる。(1990年12月1日社団法人自動車技
術会発行「自動車技術ハンドブック」第1分冊第28頁
以下参照。)本発明はこのような従来の内燃機関の問題
点を解消した圧縮着火式内燃機関を提供することを目的
としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明では、気筒あたり
に2個の吸気弁とこれに対応する2個の吸気ポートと、
低速高負荷運転域にて一方の吸気ポートに吸気を集中さ
せて気筒内に吸気スワールを生起するスワール発生手段
と、該ポートに臨むように設けられる第1の燃料噴射弁
と、各吸気ポートの分岐部よりも上流側に位置するよう
に設けられる第2の燃料噴射弁と、第1の燃料噴射弁に
比較的自己着火性の高い燃料を、第2の燃料噴射弁に比
較的自己着火性の低い燃料をそれぞれ供給する燃料供給
手段と、吸気行程内に第1の燃料噴射弁を、吸気行程外
に第2の燃料噴射弁をそれぞれ駆動してそのときの運転
状態に応じた所定量の燃料を噴射させる制御手段とを備
えるものとする。
【0006】
【作用】低速高負荷時には吸気弁が開いたときにスワー
ル発生手段を介して一方の吸気ポートに吸気流が集中す
るため気筒内にはシリンダ壁面に対して略接線方向に吸
気が導入され、これによりシリンダ内スワールが生起さ
れる。
【0007】このとき、前記吸気ポートには第1の燃料
噴射弁を介して自己着火性の高い燃料が噴射供給され、
この燃料は圧縮行程から燃焼行程にかけて前記スワール
の作用によりシリンダ壁面付近に偏在する。
【0008】この燃料は圧縮行程末期の高圧縮条件下で
自己着火し、シリンダ壁面付近にて燃焼を開始する。
【0009】一方、第2の燃料噴射弁を介して吸気行程
外で噴射供給された燃料は吸気行程に入ると各吸気ポー
トを介して気筒内に導入され、上記スワールに包囲され
ておおむね燃焼室の中央部に付勢されることになる。
【0010】この燃料によって形成される混合気は、上
述した自己着火による燃焼ガスに接触して燃焼を開始す
る。この第2の燃料噴射弁からの燃料は吸気行程が開始
される前に噴射されてポート内の空気と十分に予混合状
態となっているので良好な空気利用の下に効率よく燃焼
する。また、この燃焼は燃焼室中央部付近にて行われる
ため、火炎伝搬によるシリンダ壁面付近での端ガス形成
に原因するノッキングを起こすことがない。
【0011】このようにして、スワールによりシリンダ
壁面付近に集中させた高セタン価の燃料混合気により燃
焼を開始させ、シリンダ中央部に導入した自己着火性の
低い燃料による予混合気を燃焼させることにより、低負
荷運転時でのシリンダ壁面ないしクレビス域からのHC
の排出と高負荷運転域でのノッキングの発生が抑制され
ると共に、空気利用が向上してスモークや燃費が改善さ
れる。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。
【0013】図1または図2において、1はシリンダ、
2はピストン、3はシリンダヘッド、4は燃焼室、5は
排気ポート、6a,6bは吸気ポート、7は排気弁、8
a,8bは吸気弁、9は吸気マニホールドである。
【0014】吸気マニホールド9は図2に示したように
途中から分岐して気筒あたり2系統の吸気ポート6a,
6bへと接続する。第1の吸気ポート6aにはその底部
に位置して吸気弁8aの傘部付近を指向するように第1
の電磁式燃料噴射弁11が設けられると共に、これより
も上流の吸気マニホールド9には各吸気ポート6a,6
bの分岐部よりも上流側に位置するように第2の電磁式
燃料噴射弁12が設けられる。
【0015】第1の燃料噴射弁には11第1の燃料供給
手段13を介して燃料タンク14からの自己着火性の高
い高セタン価を有する燃料、例えば軽油が供給される。
また、第2の燃料噴射弁12には第2の燃料供給手段1
5を介して燃料タンク16から前記燃料よりも自己着火
性の低い燃料、例えばガソリンが供給される。
【0016】なお、各燃料供給手段13,15は、図示
しないが燃料を圧送するポンプ、ポンプの吐出圧を一定
に調節するレギュレータ、余剰燃料をタンク側に戻すリ
ターン通路等が形成されており、各燃料噴射弁11,1
2は一定圧の燃料の供給の下にその開弁時間に比例した
量の燃料を噴射供給するようになっている。
【0017】17は上記各燃料噴射弁11,12を開閉
駆動するマイクロコンピュータ等からなる制御手段であ
り、絞弁18の開度に応じた負荷信号を出力する負荷セ
ンサ19およびエンジン回転数センサ20からの出力に
基づいて、そのときの運転状態に応じた燃料量となるよ
うに上記各燃料の噴射供給量(噴射弁の開弁時間に相当
する駆動信号のパルス幅)を決定して燃料噴射弁11,
12を制御する。
【0018】燃料を噴射供給するタイミングは、第1の
燃料噴射弁11については吸気弁6a,6bが開弁する
吸気行程の間、第2の燃料噴射弁12についてはそれ以
外の期間に設定されている。
【0019】一方、第2の燃料噴射弁12よりも上流側
に位置するように、吸気マニホールド9の途中にはスワ
ール発生手段としてのスワールコントロールバルブ(S
CV)21が介装される。
【0020】SCV21は、水平な弁軸22を介して開
閉動作可能なように支持されており、図2に示したよう
に閉弁状態では第1の吸気ポート6a側に形成された切
欠部23を介して吸気流速を高めると共に該第1の吸気
ポート6a側に前記高速の吸気流を集中させ、これによ
りシリンダ1の円筒面に対して接線方向に吸気を導入し
て図2において反時計方向のシリンダ内スワールを生起
する。
【0021】このSCV21は、制御手段17が上記各
センサ19,20からの信号に基づき図示しないアクチ
ュエータを介して開閉駆動し、低速高負荷の運転状態で
あるときには閉弁、それ以外の運転域では全開となるよ
うに制御する。
【0022】なお、適切な圧縮比は機関の規模や用途に
よって異なるが、例えば小型自動車用機関の場合は一般
的なディーゼル機関と同等かそれよりもやや低い、例え
ば18〜20程度とする。
【0023】次に作用を説明する。
【0024】低速高負荷時には吸気弁8a,8bが開い
たときにSCV21を介して第1の吸気ポート6aに高
速化された吸気流が集中してシリンダ1内に略水平なス
ワールが生起される。
【0025】このとき、第1の燃料噴射弁11を介して
吸気ポート6aに噴射供給された軽油は、圧縮上死点近
傍まで前記スワールと共にシリンダ壁面付近に偏在す
る。
【0026】軽油は高セタン価で自己着火性が高いた
め、圧縮行程末期の高圧縮条件下で容易に自己着火し、
シリンダ壁面付近にて燃焼を開始する。
【0027】一方、第2の燃料噴射弁12を介して吸気
行程外で噴射供給されたガソリン燃料は吸気行程に入る
と各吸気ポート6a,6bを介してシリンダ1内に導入
され、ほぼ燃焼室の中央部にて上述した自己着火による
燃焼ガスに接触して燃焼を開始する。
【0028】この第2の燃料噴射弁12からのガソリン
は吸気行程が開始される前に噴射されてポート6a,6
b内の空気と十分に予混合状態となっているので良好な
空気利用の下に効率よく燃焼する。
【0029】このようにして、スワールによりシリンダ
1の壁面付近に偏在させた自己着火性の高い軽油により
燃焼を開始させ、この燃焼によりシリンダ中央部に導入
した自己着火性の低いガソリンによる予混合燃料の燃焼
が開始される。
【0030】ガソリンは予混合状態で十分に空気と混合
した状態で燃焼し、しかも従来のように燃焼室周辺に向
かっての火炎伝搬による燃焼とは異なり、燃焼室中央付
近にて周囲の軽油による圧縮着火燃焼部分に接触して燃
焼開始するので、端ガスの自発火に原因するノッキング
を起こすようなことがなく、良好に燃焼する。
【0031】また、低温のクエンチ層により生じるシリ
ンダ壁面付近やトップランドクレビス域の未燃HCがス
ワールによる燃焼室4周辺部分での軽油の燃焼により共
に燃焼し、また当該燃焼室4周辺部分は容積が小さいの
で初期燃焼割合が小さく、したがってNOx発生の少な
い熱発生パターンとなる。
【0032】一方、着火燃焼が軽油の自己着火により開
始されるので、部分負荷運転域においても従来のディー
ゼル機関と同程度の希薄空燃比(空気過剰率)の混合気
を拡散燃焼により燃焼させることができ、また必ずしも
吸気絞りを行う必要がないので、熱効率の大幅な改善が
可能である。
【0033】また、部分負荷運転域でもSCV21を閉
弁させておくことにより、スワールによる撹拌作用によ
り燃料と空気の混合を促してより良好な燃焼性状が得ら
れるのでスモークの発生を抑制することができる。加え
て、主たる燃料(ガソリン)を予混合状態で燃焼室に供
給できるので、高負荷運転域においてもスモークの発生
は少なく、かつ空気利用が良いので燃費や出力も向上す
る。
【0034】なお、スワール発生手段としては、上述し
たSCV21に限られず、例えば一方の吸気弁8aが他
方の吸気弁8bに比較して早期に開弁するように動弁機
構を構成したもの等であってもよい。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
ワールによりシリンダ壁面付近に集中させた高セタン価
の燃料混合気により燃焼を開始させ、シリンダ中央部に
導入した自己着火性の低い燃料による予混合気を燃焼さ
せるようにしたので、低負荷運転時でのシリンダ壁面な
いしクレビス域からのHCの排出と高負荷運転域でのノ
ッキングの発生が抑制されると共に、空気利用の向上に
よりスモークを低減しつつ燃費や比出力の改善を図るこ
とができる。
【0036】また、本発明では火花点火式機関のような
点火系統が不要であること、HCやNOxが少なくて排
気系に触媒を使用する場合の貴金属担持率を小さくでき
ることなどから低コスト化を図れるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の概略構成図。
【図2】実施例の吸気ポート部の平面断面図。
【符号の説明】
1 シリンダ 2 ピストン 3 シリンダヘッド 4 燃焼室 5 排気ポート 6a 第1の吸気ポート 6b 第2の吸気ポート 7 排気弁 8a 第1の吸気弁 8b 第2の吸気弁 9 吸気マニホールド 11 第1の燃料噴射弁 12 第2の燃料噴射弁 13 第1の燃料供給手段 15 第2の燃料供給手段 17 制御手段 18 絞弁 19 負荷センサ 20 回転数センサ 21 スワールコントロールバルブ(SCV) 23 切欠部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F02D 41/02 325 F02D 41/02 325K 351 351 41/34 41/34 C 41/40 41/40 A F02M 37/00 341 F02M 37/00 341E 61/14 310 61/14 310Z (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02B 1/00 - 23/10 F02B 31/00 - 31/02 F02M 37/00 F02M 39/00 - 71/04 F02D 13/00 - 28/00 F02D 41/00 - 41/40 F02D 43/00 - 45/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 気筒あたりに2個の吸気弁とこれに対応
    する2個の吸気ポートと、低速高負荷運転域にて一方の
    吸気ポートに吸気を集中させて気筒内に吸気スワールを
    生起するスワール発生手段と、該ポートに臨むように設
    けられる第1の燃料噴射弁と、各吸気ポートの分岐部よ
    りも上流側に位置するように設けられる第2の燃料噴射
    弁と、第1の燃料噴射弁に比較的自己着火性の高い燃料
    を、第2の燃料噴射弁に比較的自己着火性の低い燃料を
    それぞれ供給する燃料供給手段と、吸気行程内に第1の
    燃料噴射弁を、吸気行程外に第2の燃料噴射弁をそれぞ
    れ駆動してそのときの運転状態に応じた所定量の燃料を
    噴射させる制御手段とを備えたことを特徴とする圧縮着
    火式内燃機関。
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JP2001090541A (ja) * 1999-07-21 2001-04-03 Osaka Gas Co Ltd 予混合圧縮自着火エンジンとその運転方法
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JP2007187112A (ja) * 2006-01-13 2007-07-26 Honda Motor Co Ltd 予混合圧縮着火内燃機関
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