JP4007310B2 - Internal combustion engine capable of premixed compression self-ignition operation using two types of fuel - Google Patents
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Description
本発明は、2種類の燃料を用いる予混合圧縮自着火運転可能な内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine capable of premixed compression self-ignition operation using two types of fuel.
内燃機関の燃焼方式として、近年、通常のガソリンエンジンのような「予混合火花点火燃焼方式」や、通常のディーゼルエンジンのような「拡散燃焼方式」に代わる、新たな燃焼方式が模索されている。このような新たな燃焼方式の1つとして、燃焼室内に予め混合気を形成しておき、これを圧縮して自着火させる「予混合圧縮自着火燃焼方式」がある。予混合圧縮自着火燃焼方式は、超リーン混合気を高圧縮比で圧縮し、一気に自着火燃焼させて短時間に燃焼を完了させる燃焼方式であり、原理的には、排気ガス中に含まれる大気汚染物質の量と燃料消費量とを同時に、しかも大幅に低減することが可能と考えられている。 In recent years, as a combustion method for internal combustion engines, a new combustion method has been sought that replaces the "premixed spark ignition combustion method" like a normal gasoline engine or the "diffuse combustion method" like a normal diesel engine. . As one of such new combustion methods, there is a “premixed compression self-ignition combustion method” in which an air-fuel mixture is formed in advance in a combustion chamber, and this is compressed and self-ignited. The premixed compression auto-ignition combustion method is a combustion method that compresses an ultra-lean mixture at a high compression ratio, completes combustion in a short time by self-ignition combustion at once, and in principle it is included in the exhaust gas It is thought that the amount of air pollutants and fuel consumption can be reduced at the same time.
この予混合圧縮自着火燃焼方式を、広い運転領域で採用するためには、低負荷運転時において安定した自着火燃焼を行わせると共に、高負荷運転時において過早着火による激しい燃焼音が発生することを防止することが必要である。 In order to employ this premixed compression self-ignition combustion method in a wide operating range, stable self-ignition combustion is performed during low-load operation, and intense combustion noise due to pre-ignition is generated during high-load operation. It is necessary to prevent this.
予混合圧縮自着火燃焼を、広い運転領域で安定して行うための技術として、オクタン価の異なる2種類の燃料を用い、燃焼室内の供給燃料のオクタン価を可変制御する技術が知られている。この技術は、着火性に優れた低オクタン価燃料と耐ノック性に優れた高オクタン価燃料とを用い、低負荷運転域では低オクタン価燃料の供給割合を大きくして燃焼室内の供給燃料のオクタン価を低くする一方、高負荷運転域では高オクタン価燃料の供給割合を増加させて燃焼室内の供給燃料のオクタン価を高くするものである。この技術によれば、低負荷運転域では安定した自着火燃焼運転を行うことができる一方、高負荷運転域では過早着火を抑制することができる。 As a technique for stably performing premixed compression self-ignition combustion in a wide operation region, a technique is known in which two types of fuels having different octane numbers are used and the octane number of fuel supplied in the combustion chamber is variably controlled. This technology uses a low-octane fuel with excellent ignitability and a high-octane fuel with excellent knock resistance, and lowers the octane number of the fuel supplied in the combustion chamber by increasing the supply ratio of the low-octane fuel in the low-load operation range. On the other hand, in the high load operation region, the supply ratio of the high octane fuel is increased to increase the octane number of the fuel supplied in the combustion chamber. According to this technology, stable self-ignition combustion operation can be performed in the low load operation region, while premature ignition can be suppressed in the high load operation region.
しかし、上記のような燃焼室内の供給燃料のオクタン価を可変制御する技術では、燃焼室内に供給された低オクタン価燃料領域内に高オクタン価燃料も存在することとなり、局所的に燃料濃度の濃い領域が発生する。燃料濃度の濃い領域では、燃焼速度が上昇して燃焼部分が局所的に非常に高温となり、窒素酸化物の排出量が増加する。また、燃料濃度の濃い領域では、空気と接触できないまま熱せられる燃料が増加し、スモークの排出量も増加する。従って、広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式を行うための上記技術においては、窒素酸化物およびスモークの排出量が増加してしまうという問題があった。 However, in the technology for variably controlling the octane number of the fuel supplied in the combustion chamber as described above, the high octane number fuel also exists in the low octane number fuel region supplied into the combustion chamber, and there is a region where the fuel concentration is locally high. appear. In the region where the fuel concentration is high, the combustion speed increases, the combustion portion locally becomes very hot, and the amount of nitrogen oxide emissions increases. In the region where the fuel concentration is high, the amount of fuel that is heated without being in contact with air increases, and the amount of smoke discharged also increases. Therefore, in the above-described technique for performing the premixed compression auto-ignition combustion system in a wide operation region, there has been a problem that the emission amount of nitrogen oxides and smoke increases.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、窒素酸化物やスモークの排出量を増加させることなく、広い運転領域において予混合圧縮自着火燃焼方式による内燃機関の運転を可能とする技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and does not increase the emission amount of nitrogen oxides and smoke, and operates an internal combustion engine by a premixed compression auto-ignition combustion system in a wide operation range. The purpose is to provide a technology that makes it possible.
上記課題を解決するために、本発明の内燃機関は、予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関であって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室内に低オクタン価燃料および高オクタン価燃料を直接噴射する燃料噴射機構と、
を備え、
前記燃料噴射機構は、圧縮行程において、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とが前記燃焼室内で実質的に互いに重ならないように燃料噴射を行うことを特徴とする。
In order to solve the above problems, an internal combustion engine of the present invention is an internal combustion engine capable of premixed compression self-ignition operation,
A combustion chamber composed of a cylinder and a piston;
A fuel injection mechanism for directly injecting a low octane fuel and a high octane fuel into the combustion chamber;
With
In the compression stroke, the fuel injection mechanism performs fuel injection so that the low-octane fuel and the high-octane fuel do not substantially overlap each other in the combustion chamber.
この内燃機関では、負荷に応じて燃焼室内の供給燃料のオクタン価を変化させることができると共に、燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在しないようにすることができる。従って、窒素酸化物やスモークの排出量を増加させることなく、広い運転領域において予混合圧縮自着火燃焼方式による内燃機関の運転を行うことができる。 In this internal combustion engine, the octane number of the supplied fuel in the combustion chamber can be changed according to the load, and a region having a high fuel concentration can be prevented from existing in the combustion chamber. Therefore, it is possible to operate the internal combustion engine by the premixed compression auto-ignition combustion method in a wide operation region without increasing the emission amount of nitrogen oxides and smoke.
上記内燃機関において、前記燃料噴射機構は、低オクタン価燃料および高オクタン価燃料の内の一方を燃料噴霧が頂角の大きい中空円錐状になるように噴射し、他方を前記頂角の大きい中空円錐状の燃料噴霧の中空部に、燃料噴霧が頂角の小さい円錐状になるように噴射するとしてもよい。 In the internal combustion engine, the fuel injection mechanism injects one of the low octane number fuel and the high octane number fuel so that the fuel spray has a hollow cone shape having a large apex angle, and the other one is a hollow cone shape having the large apex angle. The fuel spray may be injected into the hollow portion of the fuel spray so that the fuel spray has a conical shape with a small apex angle.
このようにすれば、容易に、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とが実質的に互いに重ならないようにすることができる。 In this way, it is possible to easily prevent the low-octane fuel and the high-octane fuel from substantially overlapping each other.
また、上記内燃機関において、前記燃料噴射機構は、低オクタン価燃料を噴射する第1の燃料噴射弁と高オクタン価燃料を噴射する第2の燃料噴射弁とを備え、
前記第1の燃料噴射弁は、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を噴射する噴霧角の小さい燃料噴射弁であり、
前記第2の燃料噴射弁は、前記燃焼室の周辺部に向けて燃料を噴射する噴霧角の大きい中空噴霧の燃料噴射弁であるとしてもよい。
In the internal combustion engine, the fuel injection mechanism includes a first fuel injection valve that injects low-octane fuel and a second fuel injection valve that injects high-octane fuel,
The first fuel injection valve is a fuel injection valve having a small spray angle for injecting fuel toward a central portion of the combustion chamber,
The second fuel injection valve may be a hollow spray fuel injection valve having a large spray angle for injecting fuel toward the periphery of the combustion chamber.
この構成によれば、容易に、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とが実質的に互いに重ならないようにすることができる上に、比較的高沸点である低オクタン価燃料は比較的高温の燃焼室中央部に、比較的低沸点である高オクタン価燃料は比較的低温の燃焼室周辺部に分布するため、燃料の気化が促進され、スモークの排出量をより低減することができると共に、ボアフラッシングによるオイル希釈の問題を抑制することができる。 According to this configuration, the low-octane fuel and the high-octane fuel can be prevented from substantially overlapping with each other, and the low-octane fuel having a relatively high boiling point is placed in the center of the combustion chamber having a relatively high temperature. The high-octane fuel, which has a relatively low boiling point, is distributed in the periphery of the combustion chamber at a relatively low temperature, so that fuel vaporization is promoted and smoke emissions can be further reduced. The problem of dilution can be suppressed.
また、上記内燃機関において、前記ピストン頂面に凹部が形成されており、
前記第1の燃料噴射弁による低オクタン価燃料の燃料噴射は圧縮行程前半において行われ、前記第2の燃料噴射弁による高オクタン価燃料の燃料噴射は圧縮行程後半において行われるとしてもよい。
Further, in the internal combustion engine, a recess is formed on the top surface of the piston,
The fuel injection of the low octane fuel by the first fuel injection valve may be performed in the first half of the compression stroke, and the fuel injection of the high octane fuel by the second fuel injection valve may be performed in the second half of the compression stroke.
この構成によれば、圧縮行程前半に噴射された低オクタン価燃料が凹部内に保持されるため、より容易かつ確実に、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが実質的に互いに重ならない状態を形成することができ、サイクル間変動を低減することができる。さらに、低オクタン価燃料の燃料噴射から上死点付近における自着火燃焼までに比較的長い時間を確保することができるため、燃料と空気との混合がより進行し、スモーク排出量をさらに低減することができる。 According to this configuration, since the low-octane fuel injected in the first half of the compression stroke is held in the recess, a state in which the high-octane fuel and the low-octane fuel do not substantially overlap each other more easily and reliably is formed. And variation between cycles can be reduced. Furthermore, since a relatively long time can be secured from the fuel injection of the low octane fuel to the self-ignition combustion in the vicinity of the top dead center, the mixing of the fuel and air further proceeds, and the smoke emission is further reduced. Can do.
また、上記内燃機関において、前記燃料噴射機構は、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料との両方を噴射可能な2種燃料用燃料噴射弁を備え、
前記2種燃料用燃料噴射弁は、低オクタン価燃料を前記燃焼室の中央部に向けて小さい噴霧角で噴射すると共に、高オクタン価燃料を前記燃焼室の周辺部に向けて大きい噴霧角で中空状に噴射するとしてもよい。
In the internal combustion engine, the fuel injection mechanism includes a fuel injection valve for two types of fuel capable of injecting both a low octane fuel and a high octane fuel.
The fuel injection valve for type 2 fuel injects low-octane fuel at a small spray angle toward the center of the combustion chamber and hollows high-octane fuel at a large spray angle toward the periphery of the combustion chamber. It may be sprayed on.
この構成によれば、1つの燃料噴射弁から、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料との両方を噴射するため、より容易に、高オクタン価燃料噴霧と低オクタン価燃料噴霧とが燃焼室内において実質的に互いに重ならないようにすることができる。さらに、1つの燃料噴射弁のみを設ければよいため、燃料噴射弁の搭載性を向上させることができると共に、シリンダヘッドの設計自由度を向上させることができる。 According to this configuration, since both the high-octane fuel and the low-octane fuel are injected from one fuel injection valve, the high-octane fuel spray and the low-octane fuel spray can be more easily separated from each other in the combustion chamber. It can be made not to overlap. Furthermore, since only one fuel injection valve needs to be provided, the mountability of the fuel injection valve can be improved, and the design freedom of the cylinder head can be improved.
上記内燃機関において、前記低オクタン価燃料は軽油であり、
前記高オクタン価燃料はガソリンであり、
前記内燃機関の1サイクル中に前記燃焼室内に供給される全燃料による発生熱量の内、軽油による発生熱量の割合が30%以下になるように軽油とガソリンとの比率が設定されるとしてもよい。
In the internal combustion engine, the low-octane fuel is light oil,
The high octane fuel is gasoline;
The ratio of light oil to gasoline may be set so that the ratio of the heat generated by light oil to 30% or less of the heat generated by all fuel supplied into the combustion chamber during one cycle of the internal combustion engine. .
このようにすれば、高沸点のため気化しにくい軽油の割合を一定以下とすることによって、スモーク排出量をより低減することができる。 In this way, smoke emission can be further reduced by keeping the ratio of light oil that is difficult to vaporize due to its high boiling point below a certain level.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、内燃機関や、内燃機関の運転方法、内燃機関の燃料噴射装置、内燃機関の燃料噴射方法等の態様で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various modes, for example, in modes such as an internal combustion engine, an operation method of the internal combustion engine, a fuel injection device of the internal combustion engine, and a fuel injection method of the internal combustion engine. Can do.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
D.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Variation:
A.第1実施例:
図1は、本発明の第1実施例としてのエンジン100の構成を概念的に示した説明図である。図1には、エンジン100のシリンダの中心で断面を取ったときのシリンダの構造が示されている。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram conceptually showing the structure of an
このエンジン100の燃焼室は、シリンダブロック140内に設けられた中空円筒形のシリンダ142と、シリンダ142内を上下に摺動するピストン144と、シリンダブロック140の上部に設けられたシリンダヘッド130とによって形成されている。なお、シリンダブロック140とシリンダヘッド130とで構成される筒状体を、広義の「シリンダ」と呼ぶ。また、本明細書においては、シリンダ142の中心軸に沿って、ピストン144がシリンダヘッド130に近づく方向を上方向と、ピストン144がシリンダヘッド130から離れる方向を下方向として説明する。
The combustion chamber of the
シリンダヘッド130には、吸入空気が流入する吸気ポート133の開口部を開閉する吸気弁132と、排気ガスが流出する排気ポート135の開口部を開閉する排気弁134と、燃焼室内に高オクタン価燃料の燃料噴霧を噴射する高オクタン価燃料用燃料噴射弁72と、燃焼室内に低オクタン価燃料の燃料噴霧を噴射する低オクタン価燃料用燃料噴射弁82とが設けられている。
The
吸気弁132および排気弁134は、それぞれ電動アクチュエータ162,164で駆動されている。電動アクチュエータ162,164は、任意のタイミングでそれぞれの吸気弁132および排気弁134を開閉することが可能である。なお、電動アクチュエータの代わりに、油圧アクチュエータやカム機構などの他の種類の可変動弁機構によって吸気弁132および排気弁134を駆動してもよい。
The
高オクタン価燃料用燃料噴射弁72には、高オクタン価燃料タンク76に貯留された高オクタン価燃料が燃料ポンプ74によって供給される。また、低オクタン価燃料用燃料噴射弁82には、低オクタン価燃料タンク86に貯留された低オクタン価燃料が燃料ポンプ84によって供給される。
The high-octane
吸気ポート133には吸入空気を導く吸気通路12が接続されており、排気ポート135には排気ガスが通過する排気通路16が接続されている。排気通路16の下流には、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するための触媒26と、過給器50のタービン52とが設けられている。排気通路16内を通過する排気ガスはタービン52を回転させた後、大気に放出される。また、吸気通路12には、過給器50のコンプレッサ54が設けられている。コンプレッサ54は、シャフト56を介してタービン52に接続されており、排気ガスによってタービン52が回転するとコンプレッサ54も回転する。その結果、コンプレッサ54はエアクリーナ20から吸い込んだ空気を加圧した後、吸気ポート133に向かって圧送する。
An
コンプレッサ54で加圧すると空気温度が上昇するので、吸入空気を冷却するために、コンプレッサ54の下流側にはインタークーラ62が設けられている。また、吸気通路12内にはサージタンク60や、スロットル弁22も設けられている。サージタンク60は、燃焼室が空気を吸い込んだときに生じる圧力波を緩和させる作用を有しており、またスロットル弁22は電動アクチュエータ24によって適切な開度に設定されて、吸入空気量を調整する機能を有している。
Since air temperature rises when pressurized by the
ピストン144は、コネクティングロッド146を介してクランクシャフト148に接続されており、クランクシャフト148には、クランク角度を検出するクランク角センサ32が取り付けられている。
The
このエンジン100の動作は、エンジン制御ユニット(以下、ECU)30によって制御されている。ECU30は、エンジン回転速度Neやアクセル開度θacを検出し、これらに基づいてスロットル弁22の開度の制御や、燃料噴射弁72,82の燃料噴射制御、燃料ポンプ74,84の制御を実行する。エンジン回転速度Neはクランク角センサ32によって検出され、アクセル開度θacはアクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ34によって検出される。
The operation of the
以上説明したように、エンジン100は、高オクタン価燃料および低オクタン価燃料の2種類の燃料を用いて運転を行うエンジンである。高オクタン価燃料は、通常は比較的低沸点であり、耐ノック性に優れると共に気化しやすい性質を有している。一方、低オクタン価燃料は、通常は比較的高沸点であり、着火性に優れると共に気化しにくい性質を有している。
As described above, the
図2は、第1実施例における、エンジン100のシリンダの断面を拡大して示す説明図である。シリンダヘッド130のほぼ中央部には、高オクタン価燃料用燃料噴射弁72と、低オクタン価燃料用燃料噴射弁82とが設けられている。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an enlarged cross section of a cylinder of the
高オクタン価燃料用燃料噴射弁72は、直接燃焼室内に高オクタン価燃料を噴射する。また、低オクタン価燃料用燃料噴射弁82は、直接燃焼室内に低オクタン価燃料を噴射する。図2には、高オクタン価燃料用燃料噴射弁72から噴射される高オクタン価燃料噴霧を薄いハッチングを付して示しており、低オクタン価燃料用燃料噴射弁82から噴射される低オクタン価燃料噴霧を濃いハッチングを付して示している。
The high-octane
図3は、第1実施例におけるエンジン100の燃料噴射タイミングの一例を概略的に示す説明図である。図3では、横軸にクランク角を取り、高オクタン価燃料および低オクタン価燃料の燃料噴射量の推移を示している。BDCは下死点を、TDCは上死点を、それぞれ表している。
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing an example of the fuel injection timing of the
図3に示すように、第1実施例におけるエンジン100では、高オクタン価燃料および低オクタン価燃料は、共に圧縮行程のほぼ同じ時期において噴射される。圧縮行程において噴射された高オクタン価燃料および低オクタン価燃料は、それぞれ燃焼室内で混合気を形成し、ピストン144によって圧縮され、上死点付近において自着火温度に達して自着火燃焼する。このように、エンジン100は、燃焼室内で高オクタン価燃料および低オクタン価燃料を自着火燃焼させることによって、動力を取り出している。
As shown in FIG. 3, in the
エンジン100は、燃焼室内に供給する高オクタン価燃料量と低オクタン価燃料量とを個別に制御することによって、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料との供給割合を変化させることができる。すなわち、負荷に応じて高オクタン価燃料と低オクタン価燃料との供給割合を変化させることにより、燃焼室内に供給される燃料のオクタン価を変化させることができる。
The
従って、例えば、低負荷運転域では着火性に優れた低オクタン価燃料の供給割合を大きくすることによって、燃焼室内の供給燃料のオクタン価を低くでき、安定した自着火燃焼運転を行うことができる。一方、高負荷運転域では耐ノック性に優れた高オクタン価燃料の供給割合を増加させることによって、燃焼室内の供給燃料のオクタン価を高くでき、過早着火を抑制することができる。このようにして、エンジン100は、広い運転領域において、圧縮自着火燃焼方式による運転を行うことができる。
Therefore, for example, by increasing the supply ratio of the low-octane fuel excellent in ignitability in the low-load operation region, the octane number of the supplied fuel in the combustion chamber can be lowered, and stable self-ignition combustion operation can be performed. On the other hand, by increasing the supply ratio of the high-octane fuel having excellent knock resistance in the high-load operation region, the octane number of the supplied fuel in the combustion chamber can be increased and pre-ignition can be suppressed. In this manner,
また、図2に示すように、本実施例では、高オクタン価燃料用燃料噴射弁72は、燃焼室周辺部に向けて燃料を噴射する噴霧角の大きい中空噴霧の燃料噴射弁であり、噴射された高オクタン価燃料噴霧は頂角の大きい中空円錐状となって燃焼室周辺部に導かれる。一方、低オクタン価燃料用燃料噴射弁82は、噴霧角の小さい燃料噴射弁であり、頂角の大きい中空円錐状となる高オクタン価燃料噴霧の中空部に向けて低オクタン価燃料を噴射し、噴射された低オクタン価燃料噴霧は、頂角の小さい円錐状となって燃焼室中央部に導かれる。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the high-octane
従って、高オクタン価燃料用燃料噴射弁72から噴射された高オクタン価燃料噴霧と、低オクタン価燃料用燃料噴射弁82から噴射された低オクタン価燃料噴霧とは、燃焼室内において実質的に互いに重ならない。すなわち、両燃料噴射弁72,82の近傍では、噴射された直後の高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが重なる部分が生ずる場合があるものの、両燃料の気化および空気との混合を経てそれぞれ混合気を形成する段階では、高オクタン価燃料の混合気は燃焼室周辺部に、低オクタン価燃料の混合気は燃焼室中央部にそれぞれ形成され、両燃料の存在する領域はほぼ重なる部分が無い状態となる。
Therefore, the high octane fuel spray injected from the high octane
なお、本明細書において、円錐の「頂角」とは、円錐を水平投影した二等辺三角形の頂角を意味している。また、「中空円錐」とは、円錐から、その円錐と頂点および高さが同じであって、その円錐よりも頂角の小さい円錐を、くり抜いた形状を意味している。 In the present specification, the “vertical angle” of a cone means the vertical angle of an isosceles triangle obtained by horizontally projecting the cone. Further, the “hollow cone” means a shape obtained by hollowing out a cone having the same apex and height as the cone and having a smaller apex angle than the cone.
また、高オクタン価燃料および低オクタン価燃料は圧縮行程において燃焼室内に噴射されるため、燃料噴射から上死点付近に至るまでの時間が非常に短い。そのため、燃焼室周辺部に導かれた高オクタン価燃料噴霧と、燃焼室中央部に導かれた低オクタン価燃料噴霧とは、それぞれ拡散する時間がほとんど無く、上死点付近でも、実質的に互いに重ならない状態を保持している。従って、上死点付近で燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在しない状態となっている。 Further, since the high octane number fuel and the low octane number fuel are injected into the combustion chamber in the compression stroke, the time from the fuel injection to the vicinity of the top dead center is very short. For this reason, the high-octane fuel spray guided to the periphery of the combustion chamber and the low-octane fuel spray guided to the center of the combustion chamber have little time to diffuse and substantially overlap each other even near the top dead center. It keeps the state that should not be. Therefore, a region having a high fuel concentration does not exist in the combustion chamber near the top dead center.
このように、燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在しないようにすると、窒素酸化物およびスモークの排出量の増加を防止することができる。以下その理由を説明する。 Thus, if the region having a high fuel concentration does not exist in the combustion chamber, it is possible to prevent the emission of nitrogen oxides and smoke from increasing. The reason will be described below.
まず窒素酸化物排出量の増加を防止できることについて説明する。窒素酸化物は、空気中に含まれる窒素分子と酸素分子とが反応することにより発生すると考えられている。窒素分子は安定な化合物であるため、かなりの高温にさらされて初めて酸素と反応し、窒素酸化物を生成する。 First, it will be described that the increase in nitrogen oxide emission can be prevented. Nitrogen oxide is considered to be generated by the reaction of nitrogen molecules and oxygen molecules contained in the air. Since the nitrogen molecule is a stable compound, it reacts with oxygen only after being exposed to a considerably high temperature to form nitrogen oxides.
ここで、燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在すると、その部分での発熱量が大きくなるため、混合気中で正に燃焼している部分がきわめて高温となる。その結果、窒素分子と酸素分子が反応する温度に達し、窒素酸化物が生成される。 Here, if there is a region having a high fuel concentration in the combustion chamber, the amount of heat generated in that portion increases, and the portion that is burning positively in the air-fuel mixture becomes extremely hot. As a result, a temperature at which nitrogen molecules and oxygen molecules react with each other is reached, and nitrogen oxides are generated.
一方、燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在しないと、その部分での発熱量が小さい。その結果、窒素分子と酸素分子が反応する温度に達せず、窒素酸化物はほとんど生成されない。従って、燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在しないようにすると、窒素酸化物排出量の増加を防止することができる。 On the other hand, if there is no region with a high fuel concentration in the combustion chamber, the amount of heat generated in that portion is small. As a result, the temperature at which nitrogen molecules and oxygen molecules react is not reached, and nitrogen oxides are hardly generated. Therefore, if the region having a high fuel concentration does not exist in the combustion chamber, an increase in the nitrogen oxide emission can be prevented.
次にスモーク排出量の増加を防止できることについて説明する。スモークは、燃焼室内に供給された燃料が空気と接触できないまま熱せられることによって発生する。 Next, it will be described that the increase in smoke emission can be prevented. Smoke is generated when the fuel supplied into the combustion chamber is heated without being in contact with air.
ここで、燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在すると、その部分の燃料は比較的空気と接触しづらくなるので、スモークが発生しやすい。一方、燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在しないと、燃焼室内の燃料が比較的空気と接触しづらい部分がなくなるので、スモークが発生しにくい。従って、燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在しないようにすると、スモーク排出量の増加を防止することができる。 Here, if there is a region with a high fuel concentration in the combustion chamber, the fuel in that portion is relatively difficult to come into contact with air, so smoke is likely to occur. On the other hand, if there is no region having a high fuel concentration in the combustion chamber, there is no portion where the fuel in the combustion chamber is relatively difficult to come into contact with air, so that smoke does not easily occur. Therefore, if the region having a high fuel concentration does not exist in the combustion chamber, an increase in smoke emission can be prevented.
このようにして、本実施例におけるエンジン100は、窒素酸化物やスモークの排出量を増加させることなく、広い運転領域において予混合圧縮自着火燃焼方式による運転を行うことができる。
Thus, the
さらに、本実施例では、比較的高沸点である低オクタン価燃料は燃焼室中央部に、比較的低沸点である高オクタン価燃料は燃焼室周辺部に分布する。ここで、燃焼室の中央部は燃焼室周辺部に比較して高温となっているため、低オクタン価燃料を燃焼室中央部に分布させることによって、低オクタン価燃料の気化が促進される。一方、高オクタン価燃料は比較的低温である燃焼室周辺部にあっても速やかに気化する。従って、本実施例では、スモークの排出量をより低減することができると共に、燃料液滴が直接シリンダ内壁面に付着することが要因となるボアフラッシングによるオイル希釈の問題を抑制することができる。 Further, in this embodiment, the low octane fuel having a relatively high boiling point is distributed in the center of the combustion chamber, and the high octane fuel having a relatively low boiling point is distributed in the periphery of the combustion chamber. Here, since the central part of the combustion chamber is at a higher temperature than the peripheral part of the combustion chamber, the low-octane fuel is vaporized by distributing the low-octane fuel in the central part of the combustion chamber. On the other hand, the high-octane fuel quickly vaporizes even in the vicinity of the combustion chamber at a relatively low temperature. Therefore, in this embodiment, the amount of smoke discharged can be further reduced, and the problem of oil dilution due to bore flushing, which is caused by fuel droplets directly adhering to the inner wall surface of the cylinder, can be suppressed.
なお、高オクタン価燃料の代表的な一例としてはガソリンが、低オクタン価燃料の代表的な一例としては軽油が、それぞれ挙げられる。ガソリンは低沸点のため気化しやすいのに対し、軽油は高沸点のため気化しにくい。従って、スモーク排出量低減のためには、エンジンの1サイクル中に供給される全燃料量による発生熱量に占める軽油の割合(軽油の燃焼によって発生する熱量の割合)が小さい方が好ましい。 In addition, gasoline is mentioned as a typical example of a high octane fuel, and light oil is mentioned as a typical example of a low octane fuel, respectively. Gasoline is easy to vaporize because of its low boiling point, while light oil is difficult to vaporize because of its high boiling point. Therefore, in order to reduce the amount of smoke emitted, it is preferable that the ratio of light oil (the ratio of the amount of heat generated by the combustion of light oil) to the generated heat amount by the total amount of fuel supplied during one cycle of the engine is small.
図4は、全燃料量に占める軽油の割合とスモーク排出量との関係の一例を示す説明図である。図4では、横軸に軽油割合を、縦軸にスモーク排出量をとっている。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the relationship between the ratio of light oil to the total fuel amount and the smoke emission amount. In FIG. 4, the horizontal axis represents the light oil ratio, and the vertical axis represents the smoke discharge amount.
図4より、軽油割合が30%以下となるように軽油とガソリンとの比率を設定すれば、スモーク排出量を約0.7FSN(Filter Smoke Number)以下とすることができるため、好ましい。また、軽油割合が27%以下となるように軽油とガソリンとの比率を設定すれば、スモーク排出量を約0.5FSN以下とすることができるため、さらに好ましい。 From FIG. 4, it is preferable to set the ratio of light oil to gasoline so that the ratio of light oil is 30% or less because the smoke emission amount can be about 0.7 FSN (Filter Smoke Number) or less. Moreover, if the ratio of light oil and gasoline is set so that the ratio of light oil is 27% or less, the smoke emission can be reduced to about 0.5FSN or less, which is more preferable.
なお、本実施例において、高オクタン価燃料および低オクタン価燃料の燃料噴射は、圧縮行程に行われるが、噴射時期が早い(進角側)ほど、燃料噴射から上死点までの時間が長くなり、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが重なりやすい。一方、噴射時期が遅い(遅角側)ほど、燃料噴射から上死点までの時間が短くなり、燃料と空気との混合が不十分となりやすい。このような点より、高オクタン価燃料および低オクタン価燃料の噴射時期は、下死点後90度の時点を挟んで前後30度の期間内であることが好ましい。 In this embodiment, fuel injection of high octane number fuel and low octane number fuel is performed in the compression stroke, but the earlier the injection timing (advance side), the longer the time from fuel injection to top dead center, High and low octane fuels tend to overlap. On the other hand, the later the injection timing (the retard side), the shorter the time from fuel injection to top dead center, and the mixture of fuel and air tends to be insufficient. From such a point, it is preferable that the injection timing of the high-octane fuel and the low-octane fuel is within a period of 30 degrees before and after 90 degrees after the bottom dead center.
B.第2実施例:
図5は、第2実施例における、エンジン100のシリンダの断面を拡大して示す説明図である。図2に示した第1実施例との違いは、ピストン144の頂面に凹部(キャビティ)145が形成されていることである。それ以外の構成は、第1実施例と同じである。
B. Second embodiment:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an enlarged cross section of a cylinder of the
また、図6は、第2実施例における、エンジン100の燃料噴射制御の一例を概略的に示す説明図である。図6では、図3と同様に、横軸にクランク角をとり、低オクタン価燃料の燃料噴射量の推移および高オクタン価燃料の燃料噴射量の推移を示している。本実施例では、低オクタン価燃料を圧縮行程前半に噴射し、高オクタン価燃料を圧縮行程後半に噴射している。なお、図5には、圧縮行程前半に、低オクタン価燃料用燃料噴射弁82によって低オクタン価燃料が噴射されている様子を示しており、噴射された低オクタン価燃料噴霧をハッチングを付して示している。
FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing an example of fuel injection control of the
圧縮行程前半において燃焼室内に噴射された低オクタン価燃料は、第1実施例と同様に燃焼室中央部に導かれるため、ピストン144の頂面に設けられた凹部145に到達し、凹部145内に良好に保持される。そのため、その後、圧縮行程後半に高オクタン価燃料が燃焼室周辺部に向けて噴射され、上死点付近までピストン144が上昇した時点でも、低オクタン価燃料は凹部145内に留まっている。従って、本実施例においても、上死点付近では、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが実質的に互いに重ならない状態となっており、燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在しない状態となっている。よって、本実施例においても、第1実施例と同様に、窒素酸化物およびスモークの排出量の増加を防止することができる。
The low octane fuel injected into the combustion chamber in the first half of the compression stroke is guided to the center of the combustion chamber as in the first embodiment, and therefore reaches the
また、本実施例では、上述のように低オクタン価燃料が凹部145内に保持されるため、より容易かつ確実に、上死点付近で高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが実質的に互いに重ならない状態を形成することができる。従って、サイクル間変動を低減することができる。
In the present embodiment, since the low octane fuel is held in the
さらに、本実施例では、低オクタン価燃料を圧縮行程前半に噴射することができ、低オクタン価燃料の燃料噴射から上死点付近における自着火燃焼までに比較的長い時間を確保することができる。従って、燃料と空気との混合がより進行し、スモーク排出量をさらに低減することができる。 Furthermore, in this embodiment, the low octane fuel can be injected in the first half of the compression stroke, and a relatively long time can be secured from the fuel injection of the low octane fuel to the self-ignition combustion near the top dead center. Therefore, mixing of fuel and air further proceeds, and the smoke discharge amount can be further reduced.
C.第3実施例:
図7は、第3実施例における、エンジン100のシリンダの断面を拡大して示す説明図である。図2に示した第1実施例との違いは、本実施例ではシリンダヘッド130に、第1実施例における高オクタン価燃料用燃料噴射弁72および低オクタン価燃料用燃料噴射弁82の代わりに、2種燃料用燃料噴射弁92が設けられていることである。それ以外の構成は、第1実施例と同じである。
C. Third embodiment:
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an enlarged cross section of a cylinder of the
2種燃料用燃料噴射弁92は、高オクタン価燃料および低オクタン価燃料の2種類の燃料を燃焼室内に直接噴射することができる。図7には、2種燃料用燃料噴射弁92から噴射される高オクタン価燃料噴霧を薄いハッチングを付して示しており、同じく2種燃料用燃料噴射弁92から噴射される低オクタン価燃料噴霧を濃いハッチングを付して示している。
The two-type
図8は、2種燃料用燃料噴射弁92の構造の一例を示す説明図である。図8(a)は、2種燃料用燃料噴射弁92のノズル先端部(図7のA部)の断面を拡大して示している。図8(b)は、図8(a)のB−B断面を示している。図8(c)は、図8(a)のC視正面図を示している。
FIG. 8 is an explanatory view showing an example of the structure of the
2種燃料用燃料噴射弁92のノズル内部には、中央付近に、上下方向の低オクタン価燃料用流路922が設けられており、低オクタン価燃料用流路922内には、ニードル921が挿入されている。また、2種燃料用燃料噴射弁92のノズル先端中央部には、低オクタン価燃料用噴孔923が1カ所設けられており、低オクタン価燃料用噴孔923は低オクタン価燃料用流路922の下端部に接続されている。
Inside the nozzle of the
ニードル921は、その上下動によって、低オクタン価燃料用流路922と低オクタン価燃料用噴孔923との接続部の開閉を行うことができ、低オクタン価燃料の流量を調整することができる。低オクタン価燃料用流路922から低オクタン価燃料用噴孔923へと流出した低オクタン価燃料は、燃焼室内中央部に向けて噴射され、噴霧角の小さい円錐状の噴霧を形成する。
The
同様に、2種燃料用燃料噴射弁92のノズル内部には、周辺部に、上下方向の高オクタン価燃料用流路926が設けられており、高オクタン価燃料用流路926内には、ニードル925が挿入されている。また、高オクタン価燃料用流路926の直下には、高オクタン価燃料用流路927が設けられており、高オクタン価燃料用流路926の下端部に接続されている。さらに、2種燃料用燃料噴射弁92のノズル先端周辺部には、高オクタン価燃料用噴孔929が10カ所設けられており、高オクタン価燃料用噴孔929のそれぞれは、水平環状に設けられている高オクタン価燃料用流路928を経由して、高オクタン価燃料用流路927の下端部に接続されている。
Similarly, a high-octane
ニードル925は、その上下動によって、高オクタン価燃料用流路926と高オクタン価燃料用流路927との接続部の開閉を行うことができ、高オクタン価燃料の流量を調整することができる。高オクタン価燃料用流路926から、高オクタン価燃料用流路927および高オクタン価燃料用流路928を経て、高オクタン価燃料用噴孔929へと流出した高オクタン価燃料は、燃焼室内周辺部に向けて噴射され、噴霧角の大きい中空円錐状の噴霧を形成する。
The
このように、2種燃料用燃料噴射弁92は、燃焼室周辺部に向けて高オクタン価燃料を噴射すると共に、燃焼室中央部に向けて低オクタン価燃料を噴射することができる。そのため、第1実施例と同様に、高オクタン価燃料および低オクタン価燃料を、燃焼室内において実質的に互いに重ならないように噴射することができる。
Thus, the
従って、本実施例においても、上死点付近で燃焼室内に燃料濃度の濃い領域が存在しないようにすることができ、窒素酸化物およびスモークの排出量の増加を防止することができる。 Therefore, also in the present embodiment, it is possible to prevent a region having a high fuel concentration from existing in the combustion chamber in the vicinity of the top dead center, and to prevent an increase in emissions of nitrogen oxides and smoke.
さらに、本実施例では、1つの燃料噴射ノズルから、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とを噴射するため、より容易に、高オクタン価燃料噴霧と低オクタン価燃料噴霧とが燃焼室内において実質的に互いに重ならないようにすることができる。 Further, in this embodiment, since the high octane fuel and the low octane fuel are injected from one fuel injection nozzle, the high octane fuel spray and the low octane fuel spray are more easily overlapped with each other in the combustion chamber. It can be avoided.
また、シリンダヘッド130に、1つの燃料噴射弁のみを設ければよいため、燃料噴射弁の搭載性を向上させることができると共に、シリンダヘッドの設計自由度を向上させることができる。
In addition, since only one fuel injection valve needs to be provided in the
D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
D1.変形例1:
各実施例では、高オクタン価燃料を燃焼室周辺部に、低オクタン価燃料を燃焼室中央部に、それぞれ分布させることにより、両燃料が実質的に互いに重ならない状態を形成しているが、高オクタン価燃料および低オクタン価燃料が実質的に互いに重ならない状態であれば、両燃料を燃焼室内のどこに分布させてもよい。例えば、高オクタン価燃料を燃焼室中央部に分布させ、低オクタン価燃料を燃焼室周辺部に分布させるとしてもよい。また、高オクタン価燃料を燃焼室右半分に分布させ、低オクタン価燃料を燃焼室左半分に分布させるとしてもよい。ただし、高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とが実質的に互いに重ならない状態を容易に形成するために、また、スモーク排出量をより低減すると共にボアフラッシングによるオイル希釈の問題を抑制するために、高オクタン価燃料を燃焼室周辺部に、低オクタン価燃料を燃焼室中央部に、それぞれ分布させることが好ましい。
D1. Modification 1:
In each example, the high octane number fuel is distributed in the combustion chamber peripheral portion and the low octane number fuel is distributed in the combustion chamber central portion, thereby forming a state in which the two fuels do not substantially overlap each other. As long as the fuel and the low-octane fuel do not substantially overlap each other, both fuels may be distributed anywhere in the combustion chamber. For example, high octane fuel may be distributed in the center of the combustion chamber and low octane fuel may be distributed in the periphery of the combustion chamber. Alternatively, the high octane fuel may be distributed in the right half of the combustion chamber and the low octane fuel may be distributed in the left half of the combustion chamber. However, in order to easily form a state where the high-octane fuel and the low-octane fuel do not substantially overlap each other, and to further reduce the smoke emission amount and suppress the problem of oil dilution due to bore flushing, It is preferable to distribute the octane fuel at the periphery of the combustion chamber and the low octane fuel at the center of the combustion chamber.
12...吸気通路
16...排気通路
20...エアクリーナ
22...スロットル弁
24...電動アクチュエータ
26...触媒
30...エンジン制御ユニット
32...クランク角センサ
34...アクセル開度センサ
50...過給器
52...タービン
54...コンプレッサ
56...シャフト
60...サージタンク
62...インタークーラ
72...高オクタン価燃料用燃料噴射弁
74...燃料ポンプ
76...高オクタン価燃料タンク
82...低オクタン価燃料用燃料噴射弁
84...燃料ポンプ
86...低オクタン価燃料タンク
92...2種燃料用燃料噴射弁
100...エンジン
130...シリンダヘッド
132...吸気弁
133...吸気ポート
134...排気弁
135...排気ポート
140...シリンダブロック
142...シリンダ
144...ピストン
145...凹部
146...コネクティングロッド
148...クランクシャフト
162,164...電動アクチュエータ
921...ニードル
922...低オクタン価燃料用流路
923...低オクタン価燃料用噴孔
925...ニードル
926...高オクタン価燃料用流路
927...高オクタン価燃料用流路
928...高オクタン価燃料用流路
929...高オクタン価燃料用噴孔
12 ...
Claims (3)
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、 A combustion chamber composed of a cylinder and a piston;
前記燃焼室内に低オクタン価燃料および高オクタン価燃料を直接噴射する燃料噴射機構と、を備え、 A fuel injection mechanism for directly injecting a low octane fuel and a high octane fuel into the combustion chamber,
前記燃料噴射機構は、圧縮行程において、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とが前記燃焼室内で実質的に互いに重ならないように燃料噴射を行い、 The fuel injection mechanism performs fuel injection so that the low-octane fuel and the high-octane fuel do not substantially overlap each other in the combustion chamber in the compression stroke,
前記燃料噴射機構は、低オクタン価燃料および高オクタン価燃料の内の一方を燃料噴霧が頂角の大きい中空円錐状になるように噴射し、他方を前記頂角の大きい中空円錐状の燃料噴霧の中空部に、燃料噴霧が頂角の小さい円錐状になるように噴射し、 The fuel injection mechanism injects one of a low octane fuel and a high octane fuel so that the fuel spray has a hollow cone shape with a large apex angle, and the other has a hollow cone-shaped fuel spray hollow shape with a large apex angle. Inject the fuel spray into a cone with a small apex angle,
前記燃料噴射機構は、低オクタン価燃料を噴射する第1の燃料噴射弁と高オクタン価燃料を噴射する第2の燃料噴射弁とを備え、 The fuel injection mechanism includes a first fuel injection valve that injects low-octane fuel and a second fuel injection valve that injects high-octane fuel,
前記第1の燃料噴射弁は、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を噴射する噴霧角の小さい燃料噴射弁であり、 The first fuel injection valve is a fuel injection valve having a small spray angle for injecting fuel toward a central portion of the combustion chamber,
前記第2の燃料噴射弁は、前記燃焼室の周辺部に向けて燃料を噴射する噴霧角の大きい中空噴霧の燃料噴射弁である、内燃機関。 The internal combustion engine, wherein the second fuel injection valve is a hollow spray fuel injection valve having a large spray angle for injecting fuel toward the periphery of the combustion chamber.
前記ピストン頂面に凹部が形成されており、
前記第1の燃料噴射弁による低オクタン価燃料の燃料噴射は圧縮行程前半において行われ、前記第2の燃料噴射弁による高オクタン価燃料の燃料噴射は圧縮行程後半において行われる、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 ,
A recess is formed on the piston top surface,
An internal combustion engine in which fuel injection of low-octane fuel by the first fuel injection valve is performed in the first half of the compression stroke, and fuel injection of high octane fuel by the second fuel injection valve is performed in the second half of the compression stroke.
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、 A combustion chamber composed of a cylinder and a piston;
前記燃焼室内に低オクタン価燃料および高オクタン価燃料を直接噴射する燃料噴射機構と、を備え、 A fuel injection mechanism for directly injecting a low octane fuel and a high octane fuel into the combustion chamber,
前記燃料噴射機構は、圧縮行程において、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とが前記燃焼室内で実質的に互いに重ならないように燃料噴射を行い、 The fuel injection mechanism performs fuel injection so that the low-octane fuel and the high-octane fuel do not substantially overlap each other in the combustion chamber in the compression stroke,
前記燃料噴射機構は、低オクタン価燃料および高オクタン価燃料の内の一方を燃料噴霧が頂角の大きい中空円錐状になるように噴射し、他方を前記頂角の大きい中空円錐状の燃料噴霧の中空部に、燃料噴霧が頂角の小さい円錐状になるように噴射し、 The fuel injection mechanism injects one of a low octane fuel and a high octane fuel so that the fuel spray has a hollow cone shape with a large apex angle, and the other has a hollow cone-shaped fuel spray hollow shape with a large apex angle. Inject the fuel spray into a cone with a small apex angle,
前記燃料噴射機構は、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料との両方を噴射可能な2種燃料用燃料噴射弁を備え、 The fuel injection mechanism includes a fuel injection valve for two types of fuel capable of injecting both a low octane fuel and a high octane fuel,
前記2種燃料用燃料噴射弁は、低オクタン価燃料を前記燃焼室の中央部に向けて小さい噴霧角で噴射すると共に、高オクタン価燃料を前記燃焼室の周辺部に向けて大きい噴霧角で中空状に噴射する、内燃機関。 The fuel injection valve for type 2 fuel injects low-octane fuel at a small spray angle toward the center of the combustion chamber and hollows high-octane fuel at a large spray angle toward the periphery of the combustion chamber. An internal combustion engine that injects into
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