JP3865494B2 - 圧縮自着火機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関するものであり、より詳細には、燃焼室内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関について、図１０−図１２を参照して説明する。なお、当然のことではあるが、図１０−図１２から明らかな様に、この機関には点火手段は設けられていない。
全体を符号１で示す自着火機関の作動に際して、先ず図１０で示す圧縮行程において、シリンダＳに対してピストンＰが矢印Ｕで示す様に上昇して、シリンダＳ及びピストンＰにより画定される燃焼空間ＢＳを圧縮する。
【０００３】
圧縮の結果、燃焼空間ＢＳが所定の高温・高圧下にさらされると、燃焼空間ＢＳ内の未燃ガスの自着火が発生する（図１１）。図１１では明確には表現されていないが、自着火条件に至った燃焼空間ＢＳ内の未燃混合気は瞬時に燃焼する。その結果、燃焼空間ＢＳは膨張し、ピストンＰは矢印Ｄで示される様に下方へ押し下げられるのである（図１２）。
【０００４】
この様に自着火による圧縮自着火機関は、点火手段が不必要であると共に、圧縮空気中に燃料を噴霧する必要も無い。そのため、構成を簡素化することが出来るので、非常に有用な技術であると考えられている。
【０００５】
しかし、自着火の制御は非常に困難であり、そのため、実用化には至っていないのが実情である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した様な従来技術に鑑みて提案されたものであり、燃焼室内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関であって、自着火を好適に制御可能な圧縮自着火機関と、その制御方法の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者は、米国自動車技術会（ＳＡＥ）が１９９３年１０月１８日から２１日に開催した「燃料及び潤滑の会議と展示」（Ｆｕｅｌｓ ａｎｄ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ）で発表された「エンジンにおいて窒素酸化物が燃料の自着火に及ぼす影響」（Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｎｉｔｒｉｃ Ｏｘｉｄｅ ｏｎ Ａｕｔｏｉｇｎｉｔｉｏｎ ｏｆａ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｕｅｌ Ｂｌｅｎｄ ｉｎ ａＭｏｔｏｒｅｄ Ｅｎｇｉｎｅ）なる論文において、窒素酸化物（ＮＯｘ）が自着火に影響を及ぼす旨、より具体的にはＮＯｘが存在する雰囲気下では自着火が生じ易い旨が記載されていることに着目した。
【０００８】
本発明の圧縮自着火機関は、燃焼室（ＢＳ）内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関（１０）であって、自着火を促進する窒素酸化物、或いは空気と反応して窒素酸化物を生成するオゾンを吸気管（１２）から燃焼室内に供給する様に構成されている圧縮自着火機関（１０）において、前記機関（１０）の自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段（Ｐ１）と、前記機関（１０）の燃焼室（ＢＳ）内へ供給される窒素酸化物或いはオゾンの供給量を調節する供給量調節手段（Ｖ１）と、検出手段（Ｐ１）からの情報に基づいて供給量調節手段（Ｖ１）を制御する制御手段（２６）とを有しており、該制御手段（２６）は、検出手段（Ｐ１）によって得られた情報から自着火のタイミングを求め、求められた自着火タイミングが適正なタイミングに対して早い場合は窒素酸化物或いはオゾンの供給量を減少し、タイミングが適正な場合は窒素酸化物或いはオゾンの供給量を維持し、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅い場合は窒素酸化物或いはオゾンの供給量を増加する制御を行う様に構成されていることを特徴としている。
【０００９】
ここで、自着火タイミングが適正なタイミングに対して早いということは、前記機関の燃焼室が自着火し易い状態、或いは、ＮＯｘが必要以上に含有されている状態にあることを意味している。この様な場合には燃焼室の雰囲気を自着火し難い方向へ移行するべく、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を減少する。
一方、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅いということは、前記機関の燃焼室が自着火し難い状態、或いは、ＮＯｘが十分に含有されていない状態にあることを意味している。そのため、この様な場合には燃焼室の雰囲気を自着火し易い方向へ移行するべく、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を増加する。
【００１０】
ここで、オゾンＯ3 を燃焼室に供給するのは、空気中の窒素Ｎ2 と
Ｎ2 ＋２Ｏ3 → ２ＮＯ＋２Ｏ2
Ｎ2 ＋２Ｏ3 → ２ＮＯ2 ＋Ｏ2
なる式で示される化学反応を行って、ＮＯｘを形成するからである。
【００１１】
ここで、ＮＯｘ或いはオゾンを燃焼室内に供給する構造として、例えば、ＮＯｘ或いはオゾンの貯蔵手段やオゾン発生装置を設け、その貯蔵手段やオゾン発生装置の出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）を本発明の圧縮自着火機関の吸気管に合流せしめることが好ましい。または、ＮＯｘ或いはオゾンの貯蔵手段やオゾン発生装置の出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）を、本発明の圧縮自着火機関の燃焼室に直接連通しても良い。
【００１８】
本発明の実施に際して、機関の吸気ポートと排気ポートとを、燃焼室の中心軸に対して対称に配置すれば、ＮＯｘのより一層均一な分布を図ることが出来るので、好ましい。
【００１９】
本発明の圧縮自着火機関は、燃焼室（ＢＳ）内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関（５０）であり、且つ、副室（ＳＲ）を有する圧縮自着火機関（５０）であって、副室（ＲＳ）から前記機関の燃焼室（ＢＳ）に対して火炎ジェット（ＦＪ）を噴射することにより、副室（ＲＳ）における燃焼によって発生した窒素酸化物を前記機関の燃焼室（ＢＳ）内に均一に分布せしめる様に構成されている圧縮自着火機関（５０）において、前記機関（５０）の自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段（Ｐ−１）と、前記副室（ＲＳ）へ供給される燃料供給量を調節する調節手段（ＶＦ）と、検出手段（Ｐ−１）からの情報に基づいて調節手段（ＶＦ）を制御する制御手段（６４）とを有しており、該制御手段（６４）は、検出手段（Ｐ−１）によって得られた情報から自着火のタイミングを求め、求められた自着火タイミングが適正なタイミングに対して早い場合は、副室（ＲＳ）の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値から遠ざけ、自着火タイミングが適正な場合は副室（ＲＳ）の混合気の空気過剰率を維持し、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅い場合は、副室（ＲＳ）の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値に近くなるよう制御を行う様に構成されていることを特徴としている。
【００２０】
副室における燃焼を、燃焼室（主室）に比較してＮＯｘ過剰にせしめ、副室燃焼により過剰に生成されたＮＯｘを主室へ均一に分布すれば、主室を、圧縮による自着火を生じ易い雰囲気にすることが出来るのである。
【００２１】
自着火タイミングが適正なタイミングに対して早いということは、前記機関の燃焼室が自着火し易い状態、或いは、ＮＯｘが必要以上に含有されている状態にあることを意味している。この様な場合には、副室の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値から遠ざけて、副室におけるＮＯｘ生成量を減少し、以て、主室の雰囲気を自着火し難い方向へ移行する。
ここで、空気過剰率の理論最適値（燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値）は、１．１近傍である。
副室におけるＮＯｘ生成量は、副室の混合気の空気過剰率が１．１の時が最も多く、空気過剰率の数値が１．１から離隔するほどＮＯｘ生成量は減少するからである。そして、空気過剰率の数値が１．１よりも離隔する様にせしめれば、ＮＯｘ生成量は減少し、主室の雰囲気は自着火し難い方向へ移行するのである。
【００２２】
一方、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅いということは、前記機関の燃焼室が自着火し難い状態、或いは、ＮＯｘが十分に含有されていない状態にあることを意味している。そのため、副室の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値に近付けて、副室におけるＮＯｘ生成量を増加し、主室の雰囲気を自着火し易い方向へ移行するのである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図１−図９を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、添附図面において、同一の部材には同一の符号を付しておく。
【００２６】
図１は本発明の第１実施形態を示している。全体を符号１０で示す圧縮自着火機関は、吸気管１２、排気管１４、吸気弁１６、排気弁１８、及び、自着火のタイミングを知るための圧力センサＰ１（機関の自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段）を有している。そして吸気管１２には、ＮＯｘ或いはオゾンの貯蔵手段２０と、ＮＯｘ或いはオゾンを吸気管１２内に噴射するためのノズル２２と、貯蔵手段２０の出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）２４と、該出力管２４に介装された開閉弁Ｖ１（機関の燃焼室内へ供給されるＮＯｘ或いはオゾンの供給量を調節する供給量調節手段）とを有している。なお、開閉弁Ｖ１は開度調整自在に構成されている。また、貯蔵手段２０に代えて、オゾン発生装置 （オゾナイザー）を設けても良い。
【００２７】
圧力センサＰ１で検出された筒内圧力は伝達ラインＳＬ１を介してコントロールユニット（制御手段）２６に伝達され、コントロールユニット２６は、センサＰ１よって計測された圧力から自着火のタイミングを求め、求められた圧力タイミングに対応する弁開度制御信号を、伝達ラインＳＬ２を介して開閉弁Ｖ１に伝達する。そして、開閉弁Ｖ１は制御信号に応答した弁開度となり、その弁開度に対応する量のＮＯｘ或いはオゾンが、出力管２４及びノズル２２を介して吸気管１２内に供給される。
【００２８】
係る構成を有する第１実施形態によれば、センサＰ１の計測結果から燃焼室ＢＳ内が自着火が生じ難い雰囲気であることが判明した際には、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を増加することにより、自着火を生じ易い雰囲気とすることが出来る。そのため、自着火により燃焼行程を実行する圧縮自着火機関であっても、安定した運転が実現出来る。
【００２９】
次に、図２を参照して、図１の実施形態の制御を説明する。
先ず、自着火のタイミングに関する情報である機関１０内の筒内圧力を圧力センサＰ１によって検出する（ステップＳ１）。そして、検出された圧力に基づいてコントロールユニット２６では自着火のタイミングが求められ、求められた自着火タイミングが適正か否かが判断される（ステップＳ２）
ここで、自着火タイミングが適正であれば（ステップＳ２が「適正」）、機関１０の燃焼室ＢＳは自着火に好適な雰囲気下にあり、或いは、燃焼室ＢＳはＮＯｘの含有量は適正である。従って、開閉弁Ｖ１の開度はそのままの状態に保持され、ＮＯｘ或いはオゾンの発生量（図示しないオゾナイザを用いた場合）もそのままに維持される（ステップＳ３）。
【００３０】
しかし、自着火タイミングが適正なタイミングに対して早ければ（ステップＳ２が「早い」）、機関１０の燃焼室ＢＳは自着火し易い雰囲気下、或いは、ＮＯｘが必要以上に含有されている雰囲気下にあることを意味している。従って、燃焼室ＢＳの雰囲気を自着火し難い方向へ移行するべく、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を減少するため、開閉弁Ｖ１の開度を絞り（開度が小）、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量（図示しないオゾナイザを用いた場合）を減少するのである（ステップＳ４）。
【００３１】
一方、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅ければ（ステップＳ２が「遅い」）、機関１０の燃焼室ＢＳが自着火し難い雰囲気下、或いは、ＮＯｘが十分に含有されていない雰囲気下にあることを意味している。従って、燃焼室ＢＳの雰囲気を自着火し易い方向へ移行するべく、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を増加するため、開閉弁Ｖ１の開度を拡げ（開度が大）、ＮＯｘ或いはオゾンの発生量（図示しないオゾナイザを用いた場合）を増加するのである（ステップＳ５）。
【００３２】
ステップＳ３−Ｓ５のいずれかの処理が完了したならば、再びステップＳ１に戻り、以下、機関１０の運転が完了するまでこの処理を繰り返す。
【００３３】
図３は本発明の第２実施形態に係る圧縮自着火機関を示している。図３において全体を符号３０で示す圧縮自着火機関は、図１で示す機関１０と概略同様な構成を有している。但し、図３の機関３０は、ＮＯｘ或いはオゾンの貯蔵手段２０−２の出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）２４−２（或いはその先端のノズル２２−２）が、圧縮自着火機関３０の燃焼室ＢＳに直接連通している点が、第１実施形態とは相違している。
【００３４】
その他の構成及び作用効果は、第１実施形態と同様であるので、重複説明は省略する。また、図３における図示は省略されているが、圧縮自着火機関３０における自着火のタイミングを求めるための圧力センサ（図１の部材Ｐ１）と、出力管２４−２に介装される開閉弁（図１の部材Ｖ１）と、コントロールユニット （図１の部材２６）と、伝達ライン（図１の部材ＳＬ１、ＳＬ２）とを設けて、第１実施形態と同様の制御（図２参照）を行う事も出来る。
【００３５】
図４−図６は本発明の第３実施形態を示している。
図４において、全体を符号４０で示す圧縮自着火機関では、吸気ポートＩＰ、ＩＰを介して流入する未燃混合気は、それぞれ符号ＲＴ−１、ＲＴ−２で示す様な流れを形成する。そして、この２本の未燃混合気の流れＲＴ−１、ＲＴ−２は、所謂「逆タンブル流」を構成している。
【００３６】
図５において、未燃混合気の流れＲＳ−１、ＲＳ−２は所謂「スワール流」を構成する。また図６において、未燃混合気の流れＲＳＲ−１、ＲＳＲ−２は所謂「逆スワール流」を構成している。
【００３７】
図４−図６の実施形態によれば、燃焼室ＢＳ内に未燃混合気による逆タンブル流（図４）や、スワール流（図５）や、逆スワール流（図６）が発生するので、燃焼室ＢＳ内に新たに流入する未燃混合気（未燃ガス）は、燃焼室ＢＳに残留し且つＮＯｘを大量に含有する残留ガスと良好に且つ均一に混合する。そのため、燃焼室ＢＳ内ではＮＯｘの分布が均一となる。
【００３８】
ここで、上述した様にＮＯｘは自着火を生じ易くする性質を有しているので、燃焼室ＢＳの一部のみにＮＯｘが偏在していると、ＮＯｘ全体の量が同一であっても均一に分布している場合に比較すると、当該偏在箇所におけるＮＯｘ濃度が高くなり、自着火のタイミングの発生に偏りが生じてしまう。すなわち、ＮＯｘ濃度が同一であっても自着火のタイミングは同一とならないので、均一且つ安定な自着火の維持が困難である。
これに対して、図４−図６の実施形態の様に燃焼室ＢＳ内のＮＯｘ分布が均一になっていると、ＮＯｘ濃度が同一であれば自着火の発生も均一となり、安定した運転が可能となる。
【００３９】
図６において明確に示されている様に、吸気ポートＩＰと排気ポートＯＰとは、燃焼室ＢＳの中心軸Ｃ−ＢＳに対して対称に配置されている。ＮＯｘが、より一層均一な分布となる様にするためである。
【００４０】
図７−図９は本発明の第４実施形態を示している。図７及び図８において全体を符号５０で示す圧縮自着火機関は、燃焼室（主室）ＢＳと副室ＳＲとを有している。図８で示す様に、副室ＳＲには、点火手段５２と、燃料噴射ノズル５４とが設けられている。
【００４１】
（図８で示す様に）燃料噴射ノズル５４は、燃料供給管５８を介して図示しない燃料供給源に連通している。そして、燃料供給管５８には開閉弁ＶＦ（副室へ供給される混合気の空気過剰率を調節する調節手段）が介装されている。
【００４２】
また、機関５０には、自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段である圧力センサＰ−１が取り付けられている。センサＰ−１で計測された機関５０の筒内圧力は、伝達ラインＳＬ３を介してコントロールユニット６４（制御手段）に伝達される。そして、ユニット６４において自着火タイミングが求められ、それに対応して、伝達ラインＳＬ４を介し、開閉弁ＶＦに対して弁開度制御信号が送出される。
【００４３】
図８で示す機関５０においては、副室ＳＲにおいて点火手段５２で点火すると、ＮＯｘを過剰に含有した火炎ジェット（図７の符号ＦＪ：図８では図示せず）が発生する。この火炎ジェットが主室（燃焼室）ＢＳ内に噴射されることにより、火炎ジェットに含有される過剰のＮＯｘが主室ＢＳ内に均一に分布する。その結果、主室ＢＳは圧縮による自着火を生じ易い雰囲気となるのである。
【００４４】
次に、図９をも参照して、コントロールユニット６４による制御について説明する。
【００４５】
先ず、圧力センサＰ１により機関５０の筒内圧力を計測し、それに基づいて、コントロールユニット６４において、機関５０の自着火タイミングを求める（ステップＳ１１）。そして、求められた自着火タイミングが適正であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。
【００４６】
ここで、自着火タイミングが適正であれば（ステップＳ１２が「適正」）、機関５０の主室ＢＳは自着火するにあたって適正な雰囲気下にあり、或いは、主室ＢＳのＮＯｘ含有量は適正である。副室ＳＲから火炎ジェットにより主室ＢＳに供給されるＮＯｘ量も適正であると考えられるので、副室ＳＲへの燃料供給量或いは開閉弁ＶＦの開度も、そのままの状態に保持される（ステップＳ１３）。
【００４７】
これに対して、自着火タイミングが適正なタイミングに対して早い場合には （ステップＳ１２が「早い」）、機関５０の主室ＢＳが自着火し易い状態、或いは、ＮＯｘが必要以上に含有されている状態にあるので、ＮＯｘ量を減少しなければならない。
ここで、副室ＳＲにおけるＮＯｘ生成量は、副室ＳＲの混合気の空気過剰率が１．１の時が最も多く、空気過剰率の数値が１．１から離隔するほどＮＯｘ生成量は減少する。従って、開閉弁ＶＦの開度を調節して、空気過剰率の数値が１．１よりも離隔する様にせしめればＮＯｘ生成量は減少し（ステップＳ１４）、主室ＢＳの雰囲気は自着火し難い方向へ移行する。
【００４８】
一方、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅い場合には（ステップＳ１２が「遅い」）、機関５０の主室ＢＳが自着火し難い状態、或いは、ＮＯｘが十分に含有されていない状態にある。そして上述した通り、副室ＳＲにおけるＮＯｘ生成量は、副室ＳＲの混合気の空気過剰率が１．１の時が最も多くなる。従って、開閉弁ＶＦの開度を制御して副室ＳＲへの燃料供給量を調節して、副室ＳＲの混合気の空気過剰率を１．１に近接せしめて、副室ＳＲにおけるＮＯｘ発生量を増大させる（ステップＳ１５）。これにより、主室ＢＳに含有されるＮＯｘ量を増加し、主室ＢＳの雰囲気を自着火し易い方向へ移行する。
【００４９】
ステップＳ３−Ｓ５のいずれかの処理が完了したならば、再びステップＳ１に戻り、以下、機関１０の運転が完了するまでこの処理を繰り返す。
【００５０】
図示はされていないが、図１−図９の半発明の実施形態において、制御は自動制御にのみ限定されるのではなく、作業員によるマニュアル制御も可能である旨を付記する。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、圧縮自着火機関の燃焼室を適正なＮＯｘ濃度に維持することが可能であり、自着火が均一なタイミングで行われる様な雰囲気下に保持される。そのため、従来技術においては運転制御が困難だった燃焼室内で自着火して瞬時に燃焼するタイプの圧縮自着火機関でも、安定した運転が実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図。
【図２】本発明の第１実施形態における制御フローチャートを示す図。
【図３】本発明の第２実施形態を示すブロック図。
【図４】本発明の第３実施形態の一例を模式的に示す図。
【図５】図４とも別の例を模式的に示す図。
【図６】図４、図５とは別の例を模式的に示す図。
【図７】本発明の第４実施形態を示す部分断面図。
【図８】本発明の第４実施形態を示すブロック図。
【図９】本発明の第４実施形態における制御フローチャートを示す図。
【図１０】燃焼室内で自着火する機関の圧縮行程を模式的に示す図。
【図１１】燃焼室内で自着火する機関の燃焼行程を模式的に示す図。
【図１２】燃焼室内で自着火する機関の膨張行程を模式的に示す図。
【符号の説明】
１、１０、３０、５０・・・圧縮自着火機関
Ｓ・・・シリンダ
Ｐ・・・ピストン
Ｐ１・・・圧力センサ
ＢＳ・・・燃焼室（主室）
ＳＲ・・・副室
Ｖ１、ＶＦ・・・開閉弁
ＩＰ・・・吸気ポート
ＯＰ・・・排気ポート
Ｃ−ＢＳ・・・燃焼室の中心軸
１２・・・吸気管
１４・・・排気管
２０、２０−２・・・ＮＯｘ或いはオゾンの発生或いは貯蔵手段
２２、２２−２、５４、５６・・・ノズル
２４、２４−２・・・出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）
２６、６４・・・コントロールユニット
５８・・・燃料供給管
６０・・・空気配管
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関するものであり、より詳細には、燃焼室内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関について、図１０−図１２を参照して説明する。なお、当然のことではあるが、図１０−図１２から明らかな様に、この機関には点火手段は設けられていない。
全体を符号１で示す自着火機関の作動に際して、先ず図１０で示す圧縮行程において、シリンダＳに対してピストンＰが矢印Ｕで示す様に上昇して、シリンダＳ及びピストンＰにより画定される燃焼空間ＢＳを圧縮する。
【０００３】
圧縮の結果、燃焼空間ＢＳが所定の高温・高圧下にさらされると、燃焼空間ＢＳ内の未燃ガスの自着火が発生する（図１１）。図１１では明確には表現されていないが、自着火条件に至った燃焼空間ＢＳ内の未燃混合気は瞬時に燃焼する。その結果、燃焼空間ＢＳは膨張し、ピストンＰは矢印Ｄで示される様に下方へ押し下げられるのである（図１２）。
【０００４】
この様に自着火による圧縮自着火機関は、点火手段が不必要であると共に、圧縮空気中に燃料を噴霧する必要も無い。そのため、構成を簡素化することが出来るので、非常に有用な技術であると考えられている。
【０００５】
しかし、自着火の制御は非常に困難であり、そのため、実用化には至っていないのが実情である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した様な従来技術に鑑みて提案されたものであり、燃焼室内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関であって、自着火を好適に制御可能な圧縮自着火機関と、その制御方法の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者は、米国自動車技術会（ＳＡＥ）が１９９３年１０月１８日から２１日に開催した「燃料及び潤滑の会議と展示」（Ｆｕｅｌｓ ａｎｄ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ）で発表された「エンジンにおいて窒素酸化物が燃料の自着火に及ぼす影響」（Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｎｉｔｒｉｃ Ｏｘｉｄｅ ｏｎ Ａｕｔｏｉｇｎｉｔｉｏｎ ｏｆａ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｕｅｌ Ｂｌｅｎｄ ｉｎ ａＭｏｔｏｒｅｄ Ｅｎｇｉｎｅ）なる論文において、窒素酸化物（ＮＯｘ）が自着火に影響を及ぼす旨、より具体的にはＮＯｘが存在する雰囲気下では自着火が生じ易い旨が記載されていることに着目した。
【０００８】
本発明の圧縮自着火機関は、燃焼室（ＢＳ）内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関（１０）であって、自着火を促進する窒素酸化物、或いは空気と反応して窒素酸化物を生成するオゾンを吸気管（１２）から燃焼室内に供給する様に構成されている圧縮自着火機関（１０）において、前記機関（１０）の自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段（Ｐ１）と、前記機関（１０）の燃焼室（ＢＳ）内へ供給される窒素酸化物或いはオゾンの供給量を調節する供給量調節手段（Ｖ１）と、検出手段（Ｐ１）からの情報に基づいて供給量調節手段（Ｖ１）を制御する制御手段（２６）とを有しており、該制御手段（２６）は、検出手段（Ｐ１）によって得られた情報から自着火のタイミングを求め、求められた自着火タイミングが適正なタイミングに対して早い場合は窒素酸化物或いはオゾンの供給量を減少し、タイミングが適正な場合は窒素酸化物或いはオゾンの供給量を維持し、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅い場合は窒素酸化物或いはオゾンの供給量を増加する制御を行う様に構成されていることを特徴としている。
【０００９】
ここで、自着火タイミングが適正なタイミングに対して早いということは、前記機関の燃焼室が自着火し易い状態、或いは、ＮＯｘが必要以上に含有されている状態にあることを意味している。この様な場合には燃焼室の雰囲気を自着火し難い方向へ移行するべく、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を減少する。
一方、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅いということは、前記機関の燃焼室が自着火し難い状態、或いは、ＮＯｘが十分に含有されていない状態にあることを意味している。そのため、この様な場合には燃焼室の雰囲気を自着火し易い方向へ移行するべく、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を増加する。
【００１０】
ここで、オゾンＯ3 を燃焼室に供給するのは、空気中の窒素Ｎ2 と
Ｎ2 ＋２Ｏ3 → ２ＮＯ＋２Ｏ2
Ｎ2 ＋２Ｏ3 → ２ＮＯ2 ＋Ｏ2
なる式で示される化学反応を行って、ＮＯｘを形成するからである。
【００１１】
ここで、ＮＯｘ或いはオゾンを燃焼室内に供給する構造として、例えば、ＮＯｘ或いはオゾンの貯蔵手段やオゾン発生装置を設け、その貯蔵手段やオゾン発生装置の出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）を本発明の圧縮自着火機関の吸気管に合流せしめることが好ましい。または、ＮＯｘ或いはオゾンの貯蔵手段やオゾン発生装置の出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）を、本発明の圧縮自着火機関の燃焼室に直接連通しても良い。
【００１８】
本発明の実施に際して、機関の吸気ポートと排気ポートとを、燃焼室の中心軸に対して対称に配置すれば、ＮＯｘのより一層均一な分布を図ることが出来るので、好ましい。
【００１９】
本発明の圧縮自着火機関は、燃焼室（ＢＳ）内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関（５０）であり、且つ、副室（ＳＲ）を有する圧縮自着火機関（５０）であって、副室（ＲＳ）から前記機関の燃焼室（ＢＳ）に対して火炎ジェット（ＦＪ）を噴射することにより、副室（ＲＳ）における燃焼によって発生した窒素酸化物を前記機関の燃焼室（ＢＳ）内に均一に分布せしめる様に構成されている圧縮自着火機関（５０）において、前記機関（５０）の自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段（Ｐ−１）と、前記副室（ＲＳ）へ供給される燃料供給量を調節する調節手段（ＶＦ）と、検出手段（Ｐ−１）からの情報に基づいて調節手段（ＶＦ）を制御する制御手段（６４）とを有しており、該制御手段（６４）は、検出手段（Ｐ−１）によって得られた情報から自着火のタイミングを求め、求められた自着火タイミングが適正なタイミングに対して早い場合は、副室（ＲＳ）の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値から遠ざけ、自着火タイミングが適正な場合は副室（ＲＳ）の混合気の空気過剰率を維持し、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅い場合は、副室（ＲＳ）の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値に近くなるよう制御を行う様に構成されていることを特徴としている。
【００２０】
副室における燃焼を、燃焼室（主室）に比較してＮＯｘ過剰にせしめ、副室燃焼により過剰に生成されたＮＯｘを主室へ均一に分布すれば、主室を、圧縮による自着火を生じ易い雰囲気にすることが出来るのである。
【００２１】
自着火タイミングが適正なタイミングに対して早いということは、前記機関の燃焼室が自着火し易い状態、或いは、ＮＯｘが必要以上に含有されている状態にあることを意味している。この様な場合には、副室の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値から遠ざけて、副室におけるＮＯｘ生成量を減少し、以て、主室の雰囲気を自着火し難い方向へ移行する。
ここで、空気過剰率の理論最適値（燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値）は、１．１近傍である。
副室におけるＮＯｘ生成量は、副室の混合気の空気過剰率が１．１の時が最も多く、空気過剰率の数値が１．１から離隔するほどＮＯｘ生成量は減少するからである。そして、空気過剰率の数値が１．１よりも離隔する様にせしめれば、ＮＯｘ生成量は減少し、主室の雰囲気は自着火し難い方向へ移行するのである。
【００２２】
一方、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅いということは、前記機関の燃焼室が自着火し難い状態、或いは、ＮＯｘが十分に含有されていない状態にあることを意味している。そのため、副室の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値に近付けて、副室におけるＮＯｘ生成量を増加し、主室の雰囲気を自着火し易い方向へ移行するのである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図１−図９を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、添附図面において、同一の部材には同一の符号を付しておく。
【００２６】
図１は本発明の第１実施形態を示している。全体を符号１０で示す圧縮自着火機関は、吸気管１２、排気管１４、吸気弁１６、排気弁１８、及び、自着火のタイミングを知るための圧力センサＰ１（機関の自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段）を有している。そして吸気管１２には、ＮＯｘ或いはオゾンの貯蔵手段２０と、ＮＯｘ或いはオゾンを吸気管１２内に噴射するためのノズル２２と、貯蔵手段２０の出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）２４と、該出力管２４に介装された開閉弁Ｖ１（機関の燃焼室内へ供給されるＮＯｘ或いはオゾンの供給量を調節する供給量調節手段）とを有している。なお、開閉弁Ｖ１は開度調整自在に構成されている。また、貯蔵手段２０に代えて、オゾン発生装置 （オゾナイザー）を設けても良い。
【００２７】
圧力センサＰ１で検出された筒内圧力は伝達ラインＳＬ１を介してコントロールユニット（制御手段）２６に伝達され、コントロールユニット２６は、センサＰ１よって計測された圧力から自着火のタイミングを求め、求められた圧力タイミングに対応する弁開度制御信号を、伝達ラインＳＬ２を介して開閉弁Ｖ１に伝達する。そして、開閉弁Ｖ１は制御信号に応答した弁開度となり、その弁開度に対応する量のＮＯｘ或いはオゾンが、出力管２４及びノズル２２を介して吸気管１２内に供給される。
【００２８】
係る構成を有する第１実施形態によれば、センサＰ１の計測結果から燃焼室ＢＳ内が自着火が生じ難い雰囲気であることが判明した際には、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を増加することにより、自着火を生じ易い雰囲気とすることが出来る。そのため、自着火により燃焼行程を実行する圧縮自着火機関であっても、安定した運転が実現出来る。
【００２９】
次に、図２を参照して、図１の実施形態の制御を説明する。
先ず、自着火のタイミングに関する情報である機関１０内の筒内圧力を圧力センサＰ１によって検出する（ステップＳ１）。そして、検出された圧力に基づいてコントロールユニット２６では自着火のタイミングが求められ、求められた自着火タイミングが適正か否かが判断される（ステップＳ２）
ここで、自着火タイミングが適正であれば（ステップＳ２が「適正」）、機関１０の燃焼室ＢＳは自着火に好適な雰囲気下にあり、或いは、燃焼室ＢＳはＮＯｘの含有量は適正である。従って、開閉弁Ｖ１の開度はそのままの状態に保持され、ＮＯｘ或いはオゾンの発生量（図示しないオゾナイザを用いた場合）もそのままに維持される（ステップＳ３）。
【００３０】
しかし、自着火タイミングが適正なタイミングに対して早ければ（ステップＳ２が「早い」）、機関１０の燃焼室ＢＳは自着火し易い雰囲気下、或いは、ＮＯｘが必要以上に含有されている雰囲気下にあることを意味している。従って、燃焼室ＢＳの雰囲気を自着火し難い方向へ移行するべく、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を減少するため、開閉弁Ｖ１の開度を絞り（開度が小）、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量（図示しないオゾナイザを用いた場合）を減少するのである（ステップＳ４）。
【００３１】
一方、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅ければ（ステップＳ２が「遅い」）、機関１０の燃焼室ＢＳが自着火し難い雰囲気下、或いは、ＮＯｘが十分に含有されていない雰囲気下にあることを意味している。従って、燃焼室ＢＳの雰囲気を自着火し易い方向へ移行するべく、ＮＯｘ或いはオゾンの供給量を増加するため、開閉弁Ｖ１の開度を拡げ（開度が大）、ＮＯｘ或いはオゾンの発生量（図示しないオゾナイザを用いた場合）を増加するのである（ステップＳ５）。
【００３２】
ステップＳ３−Ｓ５のいずれかの処理が完了したならば、再びステップＳ１に戻り、以下、機関１０の運転が完了するまでこの処理を繰り返す。
【００３３】
図３は本発明の第２実施形態に係る圧縮自着火機関を示している。図３において全体を符号３０で示す圧縮自着火機関は、図１で示す機関１０と概略同様な構成を有している。但し、図３の機関３０は、ＮＯｘ或いはオゾンの貯蔵手段２０−２の出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）２４−２（或いはその先端のノズル２２−２）が、圧縮自着火機関３０の燃焼室ＢＳに直接連通している点が、第１実施形態とは相違している。
【００３４】
その他の構成及び作用効果は、第１実施形態と同様であるので、重複説明は省略する。また、図３における図示は省略されているが、圧縮自着火機関３０における自着火のタイミングを求めるための圧力センサ（図１の部材Ｐ１）と、出力管２４−２に介装される開閉弁（図１の部材Ｖ１）と、コントロールユニット （図１の部材２６）と、伝達ライン（図１の部材ＳＬ１、ＳＬ２）とを設けて、第１実施形態と同様の制御（図２参照）を行う事も出来る。
【００３５】
図４−図６は本発明の第３実施形態を示している。
図４において、全体を符号４０で示す圧縮自着火機関では、吸気ポートＩＰ、ＩＰを介して流入する未燃混合気は、それぞれ符号ＲＴ−１、ＲＴ−２で示す様な流れを形成する。そして、この２本の未燃混合気の流れＲＴ−１、ＲＴ−２は、所謂「逆タンブル流」を構成している。
【００３６】
図５において、未燃混合気の流れＲＳ−１、ＲＳ−２は所謂「スワール流」を構成する。また図６において、未燃混合気の流れＲＳＲ−１、ＲＳＲ−２は所謂「逆スワール流」を構成している。
【００３７】
図４−図６の実施形態によれば、燃焼室ＢＳ内に未燃混合気による逆タンブル流（図４）や、スワール流（図５）や、逆スワール流（図６）が発生するので、燃焼室ＢＳ内に新たに流入する未燃混合気（未燃ガス）は、燃焼室ＢＳに残留し且つＮＯｘを大量に含有する残留ガスと良好に且つ均一に混合する。そのため、燃焼室ＢＳ内ではＮＯｘの分布が均一となる。
【００３８】
ここで、上述した様にＮＯｘは自着火を生じ易くする性質を有しているので、燃焼室ＢＳの一部のみにＮＯｘが偏在していると、ＮＯｘ全体の量が同一であっても均一に分布している場合に比較すると、当該偏在箇所におけるＮＯｘ濃度が高くなり、自着火のタイミングの発生に偏りが生じてしまう。すなわち、ＮＯｘ濃度が同一であっても自着火のタイミングは同一とならないので、均一且つ安定な自着火の維持が困難である。
これに対して、図４−図６の実施形態の様に燃焼室ＢＳ内のＮＯｘ分布が均一になっていると、ＮＯｘ濃度が同一であれば自着火の発生も均一となり、安定した運転が可能となる。
【００３９】
図６において明確に示されている様に、吸気ポートＩＰと排気ポートＯＰとは、燃焼室ＢＳの中心軸Ｃ−ＢＳに対して対称に配置されている。ＮＯｘが、より一層均一な分布となる様にするためである。
【００４０】
図７−図９は本発明の第４実施形態を示している。図７及び図８において全体を符号５０で示す圧縮自着火機関は、燃焼室（主室）ＢＳと副室ＳＲとを有している。図８で示す様に、副室ＳＲには、点火手段５２と、燃料噴射ノズル５４とが設けられている。
【００４１】
（図８で示す様に）燃料噴射ノズル５４は、燃料供給管５８を介して図示しない燃料供給源に連通している。そして、燃料供給管５８には開閉弁ＶＦ（副室へ供給される混合気の空気過剰率を調節する調節手段）が介装されている。
【００４２】
また、機関５０には、自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段である圧力センサＰ−１が取り付けられている。センサＰ−１で計測された機関５０の筒内圧力は、伝達ラインＳＬ３を介してコントロールユニット６４（制御手段）に伝達される。そして、ユニット６４において自着火タイミングが求められ、それに対応して、伝達ラインＳＬ４を介し、開閉弁ＶＦに対して弁開度制御信号が送出される。
【００４３】
図８で示す機関５０においては、副室ＳＲにおいて点火手段５２で点火すると、ＮＯｘを過剰に含有した火炎ジェット（図７の符号ＦＪ：図８では図示せず）が発生する。この火炎ジェットが主室（燃焼室）ＢＳ内に噴射されることにより、火炎ジェットに含有される過剰のＮＯｘが主室ＢＳ内に均一に分布する。その結果、主室ＢＳは圧縮による自着火を生じ易い雰囲気となるのである。
【００４４】
次に、図９をも参照して、コントロールユニット６４による制御について説明する。
【００４５】
先ず、圧力センサＰ１により機関５０の筒内圧力を計測し、それに基づいて、コントロールユニット６４において、機関５０の自着火タイミングを求める（ステップＳ１１）。そして、求められた自着火タイミングが適正であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。
【００４６】
ここで、自着火タイミングが適正であれば（ステップＳ１２が「適正」）、機関５０の主室ＢＳは自着火するにあたって適正な雰囲気下にあり、或いは、主室ＢＳのＮＯｘ含有量は適正である。副室ＳＲから火炎ジェットにより主室ＢＳに供給されるＮＯｘ量も適正であると考えられるので、副室ＳＲへの燃料供給量或いは開閉弁ＶＦの開度も、そのままの状態に保持される（ステップＳ１３）。
【００４７】
これに対して、自着火タイミングが適正なタイミングに対して早い場合には （ステップＳ１２が「早い」）、機関５０の主室ＢＳが自着火し易い状態、或いは、ＮＯｘが必要以上に含有されている状態にあるので、ＮＯｘ量を減少しなければならない。
ここで、副室ＳＲにおけるＮＯｘ生成量は、副室ＳＲの混合気の空気過剰率が１．１の時が最も多く、空気過剰率の数値が１．１から離隔するほどＮＯｘ生成量は減少する。従って、開閉弁ＶＦの開度を調節して、空気過剰率の数値が１．１よりも離隔する様にせしめればＮＯｘ生成量は減少し（ステップＳ１４）、主室ＢＳの雰囲気は自着火し難い方向へ移行する。
【００４８】
一方、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅い場合には（ステップＳ１２が「遅い」）、機関５０の主室ＢＳが自着火し難い状態、或いは、ＮＯｘが十分に含有されていない状態にある。そして上述した通り、副室ＳＲにおけるＮＯｘ生成量は、副室ＳＲの混合気の空気過剰率が１．１の時が最も多くなる。従って、開閉弁ＶＦの開度を制御して副室ＳＲへの燃料供給量を調節して、副室ＳＲの混合気の空気過剰率を１．１に近接せしめて、副室ＳＲにおけるＮＯｘ発生量を増大させる（ステップＳ１５）。これにより、主室ＢＳに含有されるＮＯｘ量を増加し、主室ＢＳの雰囲気を自着火し易い方向へ移行する。
【００４９】
ステップＳ３−Ｓ５のいずれかの処理が完了したならば、再びステップＳ１に戻り、以下、機関１０の運転が完了するまでこの処理を繰り返す。
【００５０】
図示はされていないが、図１−図９の半発明の実施形態において、制御は自動制御にのみ限定されるのではなく、作業員によるマニュアル制御も可能である旨を付記する。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、圧縮自着火機関の燃焼室を適正なＮＯｘ濃度に維持することが可能であり、自着火が均一なタイミングで行われる様な雰囲気下に保持される。そのため、従来技術においては運転制御が困難だった燃焼室内で自着火して瞬時に燃焼するタイプの圧縮自着火機関でも、安定した運転が実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図。
【図２】本発明の第１実施形態における制御フローチャートを示す図。
【図３】本発明の第２実施形態を示すブロック図。
【図４】本発明の第３実施形態の一例を模式的に示す図。
【図５】図４とも別の例を模式的に示す図。
【図６】図４、図５とは別の例を模式的に示す図。
【図７】本発明の第４実施形態を示す部分断面図。
【図８】本発明の第４実施形態を示すブロック図。
【図９】本発明の第４実施形態における制御フローチャートを示す図。
【図１０】燃焼室内で自着火する機関の圧縮行程を模式的に示す図。
【図１１】燃焼室内で自着火する機関の燃焼行程を模式的に示す図。
【図１２】燃焼室内で自着火する機関の膨張行程を模式的に示す図。
【符号の説明】
１、１０、３０、５０・・・圧縮自着火機関
Ｓ・・・シリンダ
Ｐ・・・ピストン
Ｐ１・・・圧力センサ
ＢＳ・・・燃焼室（主室）
ＳＲ・・・副室
Ｖ１、ＶＦ・・・開閉弁
ＩＰ・・・吸気ポート
ＯＰ・・・排気ポート
Ｃ−ＢＳ・・・燃焼室の中心軸
１２・・・吸気管
１４・・・排気管
２０、２０−２・・・ＮＯｘ或いはオゾンの発生或いは貯蔵手段
２２、２２−２、５４、５６・・・ノズル
２４、２４−２・・・出力管（ＮＯｘ或いはオゾンの供給管）
２６、６４・・・コントロールユニット
５８・・・燃料供給管
６０・・・空気配管
Claims (2)
- 燃焼室（ＢＳ）内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関（１０）であって、自着火を促進する窒素酸化物、或いは空気と反応して窒素酸化物を生成するオゾンを吸気管（１２）から燃焼室内に供給する様に構成されている圧縮自着火機関（１０）において、前記機関（１０）の自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段（Ｐ１）と、前記機関（１０）の燃焼室（ＢＳ）内へ供給される窒素酸化物或いはオゾンの供給量を調節する供給量調節手段（Ｖ１）と、検出手段（Ｐ１）からの情報に基づいて供給量調節手段（Ｖ１）を制御する制御手段（２６）とを有しており、該制御手段（２６）は、検出手段（Ｐ１）によって得られた情報から自着火のタイミングを求め、求められた自着火タイミングが適正なタイミングに対して早い場合は窒素酸化物或いはオゾンの供給量を減少し、タイミングが適正な場合は窒素酸化物或いはオゾンの供給量を維持し、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅い場合は窒素酸化物或いはオゾンの供給量を増加する制御を行う様に構成されていることを特徴とする圧縮自着火機関。
- 燃焼室（ＢＳ）内で自着火して瞬時に燃焼する圧縮自着火機関（５０）であり、且つ、副室（ＳＲ）を有する圧縮自着火機関（５０）であって、副室（ＲＳ）から前記機関の燃焼室（ＢＳ）に対して火炎ジェット（ＦＪ）を噴射することにより、副室（ＲＳ）における燃焼によって発生した窒素酸化物を前記機関の燃焼室（ＢＳ）内に均一に分布せしめる様に構成されている圧縮自着火機関（５０）において、前記機関（５０）の自着火タイミングに関する情報を検出する検出手段（Ｐ−１）と、前記副室（ＲＳ）へ供給される燃料供給量を調節する調節手段（ＶＦ）と、検出手段（Ｐ−１）からの情報に基づいて調節手段（ＶＦ）を制御する制御手段（６４）とを有しており、該制御手段（６４）は、検出手段（Ｐ−１）によって得られた情報から自着火のタイミングを求め、求められた自着火タイミングが適正なタイミングに対して早い場合は、副室（ＲＳ）の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値から遠ざけ、自着火タイミングが適正な場合は副室（ＲＳ）の混合気の空気過剰率を維持し、自着火タイミングが適正なタイミングに対して遅い場合は、副室（ＲＳ）の混合気の空気過剰率を、燃焼によるＮＯｘ生成量が最大となる理論最適値に近くなるよう制御を行う様に構成されていることを特徴とする圧縮自着火機関。
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