JP4341166B2 - 予混合圧縮着火燃焼エンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内にて燃料と空気とを予め均一に混合した後に圧縮着火させる予混合圧縮着火燃焼エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通常のディーゼルエンジンに比べ燃料消費率の増加なしに大幅なＮＯｘ排出濃度の低減が可能である予混合圧縮着火燃焼法が注目されている、この燃焼法は、圧縮行程前半にピストンが未だ下方位置のときシリンダ内に燃料を噴射し、シリンダ内にて燃料と空気との混合が進んでから圧縮着火させる方法、すなわち燃料の着火遅れを延ばし、燃料噴射から着火するまでに時間をとることで、燃料と空気との混合が進んでから圧縮着火させる方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる予混合圧縮着火燃焼法は、燃料と空気とを均一の混合気とした後に燃焼させるものなので、各燃焼箇所における燃焼温度のむらが小さくなり、ＮＯｘを大幅に低減できるという優れた特性がある反面、自己着火（圧縮着火）による着火時期の制御が困難であるという問題を有する。すなわち、上記混合気が何時圧縮着火するかは成り行き任せであり、エンジンの運転状態によっては上死点の遥か前で着火してしまうことも考えられる。
【０００４】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、着火時期を制御できる予混合圧縮着火燃焼エンジンを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る予混合圧縮着火燃焼エンジンは、シリンダ内のピストン上方に区画される主室と、該主室の上部に連絡口を介して接続された副室と、該副室と上記主室との連絡口を開閉する副室バルブと、上記連絡口に向けて液体燃料を噴射する噴射ノズルと、該噴射ノズルおよび上記副室バルブの作動を制御するコントローラとを備え、上記副室バルブは、開かれたとき上記連絡口を開放し、閉じられたとき上記連絡口を閉鎖するものであり、上記コントローラは、圧縮行程前半におけるピストンが下方位置のとき、上記副室バルブを開き、上記噴射ノズルから液体燃料を噴射して、開かれた副室バルブ衝突することで上記主室の内部に拡散させ、次いで上記副室バルブを閉じ、圧縮行程後半にてピストンが上死点直前となったとき、再び上記副室バルブを開き、膨張行程及び排気行程のあいだ開弁され続け、吸入行程において吸入空気が上記主室に流入する際に上記副室バルブを閉じる制御を行うものである。
【０００６】
かかる予混合圧縮着火燃焼エンジンによれば、圧縮行程前半にピストンが下方位置のとき副室バルブが開かれ、噴射ノズルから連絡口に向けて液体燃料が噴射されると、その燃料が副室バルブに衝突して主室内に略均一に拡散される。ここで、副室バルブに付着した液体燃料は、副室バルブが後述のように高温状態に保たれているので、速やかに蒸発する。次いで、副室バルブが閉じられると、主室内に拡散した燃料と空気との予混合気が、ピストンの上昇によって圧縮される。そして、ピストンが上死点直前となったとき再び副室バルブが開かれると、圧縮された予混合気が連絡口から副室内に高速で導かれ、副室内にて圧縮着火される。すると、その火炎が連絡口から主室内に高速で吹き出し、主室内に残存する予混合気が短期間で燃焼され、全燃焼が完了する。その後、副室バルブは、膨張行程及び排気行程のあいだ開弁され続け、高温の燃焼ガス及び排気ガスに晒され、副室の構造体と共に高温に焼かれる。こうして副室バルブ及び副室の構造体に蓄積された熱が、次回に副室内に導かれる予混合気を着火させるためのエネルギとなる。そして、続く吸入行程時には、冷たい吸入空気が主室内に流入するため、吸入行程において吸入空気が主室に流入する際には副室バルブは閉じられる。
【０００７】
また、上記コントローラは、ピストン上死点直前に副室バルブを開いたとき、噴射ノズルから連絡口に向けて着火トリガー用の燃料を噴射するものであってもよい。こうすれば、ピストン上死点直前に、副室バルブにより開かれた連絡口に向けて噴射された着火トリガー用の燃料が、主室から副室に流入する高速の予混合気によって副室内で急速に二次混合され、圧縮着火をアシストする。
【０００８】
また、上記副室および副室バルブは、セラミックス等の耐熱材から形成され、それらの外周に遮熱層が設けられていてもよい。こうすれば、燃焼によって焼かれる副室および副室バルブの熱が外部に逃げづらくなるため、副室内に導かれた予混合気が副室および副室バルブの熱によって急速に断熱膨張され、圧縮着火が容易となる。
【０００９】
また、上記コントローラは、副室バルブを所定のタイミングで開閉すべく、クランク軸の回転に連動して作動するカム機構を有していてもよい。こうすれば、既存の技術を流用して確実に副室バルブの開閉タイミングを制御できる。
【００１０】
また、上記副室および連絡口が、シリンダの中央部に配置されていてもよい。こうすれば、主室から副室への予混合気の取り込み、および副室から主室への火炎の噴出のバランスが良好となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１２】
図１に本実施形態に係る予混合圧縮着火燃焼エンジンの要部側断面図を示し、図２に図１の II-II線断面図を示し、図３に上記予混合圧縮着火燃焼エンジンの各バルブおよび燃料噴射の開閉タイミングチャートを示す。
【００１３】
図１に示すように、シリンダブロック１の上部には、中間構造体２とシリンダヘッド３とが積層され、これらがボルト４によって一体的に締結されている。シリンダブロック１内には、筒体状のシリンダライナー５が装着され、中間構造体２には、そのシリンダライナー５に繋げて上部が蓋された有底筒体状のヘッドライナー６が装着されている。本実施形態では、これらシリンダライナー５およびヘッドライナー６が、特許請求の範囲のシリンダを構成することになる。
【００１４】
シリンダライナー５およびヘッドライナー６は、本実施形態では内部の熱を外部に対して断熱すべく窒化珪素等のセラミックスから形成されているが、他の一般的な金属材料から形成してウォータジャケット等によって冷却するようにしてもよい。なお、以下セラミックス製の部品を破線で表す。ヘッドライナー６は、本実施形態では中間構造体２に形成された一回り大きな穴７に遮熱ガスケット８を介して装着されており、その穴７の内周面との間に空気断熱層９（遮熱層）が形成されている。
【００１５】
シリンダライナー５の内部には、クランク軸の回転に連動して昇降するピストン（図示せず）が収容されている。ピストンは、クランク軸にコンロッドを介して連結されている。このピストンの上方のシリンダライナー５およびヘッドライナー６の内部には、燃料と空気との予混合室となる主室１０が区画形成される。すなわち、主室１０は、ピストンの上面とシリンダライナー５の側面とヘッドライナー６の内面とによって区画形成される。
【００１６】
主室１０の上部には、連絡口１１を介して副室１２が接続されている。副室１２は、主室１０内にて略均一に混合された燃料と空気との予混合気を連絡口１１を通じて取り込んで内部で圧縮着火させ、その火炎を連絡口１１から主室１０側に噴出するものであり、実質的には着火室として機能する。副室１２および連絡口１１は、シリンダボアの中央部に配置されている。主室１０から副室１２への混合気の取り込み、および副室１２から主室１０への火炎の噴出のバランスを考慮したものである。
【００１７】
副室１２は、ヘッドライナー６およびシリンダヘッド３に装着された副室構造体１３から区画形成される。副室構造体１３は、上部が蓋された有底筒体状の部材からなり、本実施形態ではセラミックス（窒化珪素等）の耐熱材から形成されているが、他の一般的な金属材料から形成されていてもよい。副室構造体１３は、シリンダヘッド３に形成された一回り大きな穴１４に装着されており、その穴１４の内周面との間に空気断熱層１５（遮熱層）が形成されている。副室１２内での燃焼により加熱される副室構造体１３の熱を外部に逃がさないためである。
【００１８】
副室１２と主室１０との連絡口１１は、副室バルブ１６によって開閉される。副室バルブ１６は、シリンダヘッド３に装着されたバルブガイド１７に上下方向スライド自在に挿通されたステム部１６ａと、ステム部１６ａの下端に形成され実質的に連絡口１１を開閉するポペット部１６ｂとからなる。ステム部１６ａには、バルブスプリング１８によって上方へ付勢されたリテーナ１９が取り付けられている。これにより、副室バルブ１６は、常時上方に引き上げられ、ポペット部１６ｂが連絡口１１を閉じる。
【００１９】
かかる副室バルブ１６は、ステム部１６ａの頂部に取り付けられたタペット２０がカム機構２３によって下方に押圧されると、バルブスプリング１８に抗して下降し、ポペット部１６ｂが連絡口１１を開く。タペット２０は、上部が蓋された筒体状に形成されており、シリンダヘッド３に取り付けられた筒体２１内にスライド自在に収容されている。そして、これら筒体２１およびタペット２０の内方に、空気断熱層２２（遮熱層）が形成されている。副室１２内での燃焼により加熱される副室バルブ１６の熱を、ステム部１６ａから外部に放熱させないためである。
【００２０】
バルブスプリング１８によって閉じられた副室バルブ１６を開くカム機構２３は、特許請求の範囲のコントローラの一部を構成するものであり、シリンダヘッド３に枢軸２４を介して揺動自在に支持されたロッカアーム２５と、ロッカアーム２５の一端に設けられその揺動によりタペット２０を押圧する押圧部２６と、ロッカアーム２５の他端に軸支されたローラ部２７と、ローラ部２７に当接されその回転に伴ってロッカアーム２５を揺動させるカム軸２８とを有する。
【００２１】
カム軸２８は、タイミングチェーン又はベルト等によりクランク軸の回転と連動して回転され、副室バルブ１６を図３に示すタイミングで開閉するカム山を有している。これにより、副室バルブ１６は、圧縮行程前半にピストンが未だ下方位置のとき一度開かれ、その後一旦閉じられた後に上死点直前で再び開かれ、以降、膨張・排気行程中は開き続けられ、続く吸入行程前半における上死点を過ぎたあたりで再び閉じられる、というサイクルを繰り返す。
【００２２】
開かれた副室バルブ１６のポペット部１６ｂには、副室構造体１３に取り付けられた噴射ノズル２９から液体燃料（軽油等）が噴射（噴霧）されるようになっている。すなわち、噴射ノズル２９は、副室バルブ１６のポペット部１６ｂにより開閉される連絡口１１へ向けて液体燃料を噴射する。噴射ノズル２９は、副室構造体１３の側部にこれを貫通して取り付けられており、図２にも示すように、副室バルブ１６のポペット部１６ｂに向けて燃料を噴射する３個の噴孔を有する。なお、噴孔は何個でもよい。
【００２３】
噴射ノズル２９は、図示しないコントローラ（コンピュータ等）によって、図３に示すように、副室バルブ１６が圧縮行程前半に開かれたときメインの燃料噴射を行い、その後一旦閉じられた副室バルブ１６が上死点直前に再び開かれたとき着火トリガー用の少量の燃料噴射を行なうように制御される。なお、メインの燃料噴射では、今回の燃焼に用いられる燃料量のほとんどが噴射される。
【００２４】
また、このエンジンは、シリンダヘッド３に図示しない吸気ポートおよび排気ポートが形成され、ヘッドライナー６にこれらポートに夫々繋げて吸気口および排気口が形成されており、これら吸気口および排気口が吸気バルブおよび排気バルブによって夫々開閉されるようになっている。吸・排気バルブ３０は、通常のエンジンと同様に、図１に示すバルブスプリング３１によって閉方向（上方）に付勢され、クランク軸と連動するカム機構３２によって開方向（下方）に駆動され、図３に示すタイミングで開閉されるようになっている。
【００２５】
以上の構成からなる本実施形態の作用を述べる。
【００２６】
図３に示すように、圧縮行程前半にピストンが下方位置のとき副室バルブ１６が開かれ、その副室バルブ１６により開かれた連絡口１１に向けて噴射ノズル２９から燃料が噴射される。これは、メイン噴射であり、今回の燃焼で用いられる全燃料量から後述する着火トリガー用の極少量の燃料噴射量を引いた量の燃料が噴射される。噴射された燃料は、開弁されて主室１０内に突出された副室バルブ１６のポペット部１６ｂに衝突し、主室１０内にて霧状に拡散する。このとき、ピストンは未だ下降位置であるため主室１０の容積は大きく、霧状に拡散した燃料は、この広い主室１０内にて吸入空気と略均一に予混合される。
【００２７】
その後、副室バルブ１６が一旦閉じられ、略均一に混合された燃料と空気との予混合気が、主室１０内にてピストンの上昇に伴って着火の前段階まで圧縮される。なお、このとき副室バルブ１６が開かれていると、副室１２の容積分だけ実質的な圧縮比が低下するため、予混合気を着火の前段階まで圧縮でき難い。このため、副室バルブ１６を一旦閉じるのである。また、このとき主室１０内にて予混合気が着火してしまうと、通常の圧縮着火機関となってしまい、着火時期を正確に制御できない。よって、予混合気が着火することなくあくまで着火の前段階まで圧縮されるように、圧縮比および以下に述べる副室バルブ１６の２度目の開弁時期が設定されている。
【００２８】
ピストンが上死点直前となったとき、再び副室バルブ１６が開かれ、同時に連絡口１１に向けて噴射ノズル２９から着火トリガー用の燃料が噴射される（図３参照）。すると、ピストンの上昇により圧縮された主室１０内の予混合気が連絡口１１から副室１２内に略音速で流入し、その流れによって噴射ノズル２９から噴射された着火トリガー用の燃料が撹拌され、副室１２内にて予混合気と着火トリガー用燃料とが急速に二次混合される。この混合気は、副室１２内にて瞬間的に断熱膨張し、副室内１２にて圧縮着火する。副室１２を構成する副室構造体１３が前回の燃焼によって高温に焼かれ、その熱が空気断熱層１４によって外部に逃げることなく高温に保たれているからである。
【００２９】
なお、圧縮行程前半に噴射されるメイン燃料およびその後上死点直前にて再び噴射される着火トリガー用燃料は、その一部が副室１２の側壁およびポペット部１６ｂの表面に付着するが、副室構造体１３および副室バルブ１６（セラミックス製）は前回の燃焼によって高温に焼かれており夫々空気断熱層１５、２２によって外部と遮熱されて高温状態に保たれているので、付着した燃料が速やかに蒸発し、未燃燃料として排出されることが抑制される。また、着火トリガー用の２回目の燃料噴射は、着火のアシストをするに過ぎないため、なくても構わない。この場合、１回目のメイン燃料噴射にて全燃料量が噴射され、そのメイン噴射燃料と吸入空気との予混合気が副室内にて圧縮着火されることになる。
【００３０】
こうして副室１２内にて混合気が着火すると、その火炎が連絡口１１から主室１０内に音速で吹き出し、主室１０内に残存する予混合気を短期間で燃焼させ、燃焼が完了する。その後、図３に示すように、副室バルブ１６は、膨張・排気行程中開弁され続け、高温の燃焼ガス・排気ガスに晒され、これらのガスによって副室構造体１３と共に高温に焼かれる。こうして副室バルブ１６および副室構造体１３に蓄積された熱が、次回に副室１２内に導かれる混合気を膨張・圧縮着火させるためのエネルギとなる。そして、続く吸入行程時には、冷たい吸入空気が主室１０内に流入するため、副室バルブ１６は閉じられる。
【００３１】
以上の燃焼方法によれば、圧縮行程前半にピストンが下方位置のとき広い主室１０内にて略均一の予混合気を生成し、この均一な予混合気を副室１２内に導いて圧縮着火させて燃焼させているので、副室１２内にて多点同時的に着火燃焼が生じ、各燃焼箇所における燃焼温度のむらが小さくなり、ＮＯｘを大幅に低減できる。また、主室１０内の予混合気を副室１２内へ導入して着火させており、その導入時期すなわち着火時期を副室バルブ１２の開閉によって制御しているので、着火時期を正確に管理できる。また、本燃焼方法は、基本的には主室１０内に噴射された燃料を圧縮着火させるものなので、ディーゼル機関と同等レベルの熱効率（約４２％）を発揮でき、燃料消費率の低減が図れる。
【００３２】
すなわち、本実施形態に係る予混合圧縮着火燃焼エンジンによれば、予混合圧縮着火燃焼させることで、ＮＯｘ排出濃度の低減と燃料消費率の低減との両立を図れ、しかも副室バルブ１６の２回目の開弁時期を管理することにより、予混合圧縮着火の着火時期を正確に制御できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る予混合圧縮着火燃焼エンジンによれば、次のような優れた効果を発揮できる。
【００３４】
(1)予混合圧縮着火燃焼させることにより、ＮＯｘ排出濃度および燃料消費率の低減を実現できる。
【００３５】
(2)主室内の予混合気を副室内に導く副室バルブの開弁時期を管理することにより、予混合圧縮着火の着火時期を正確に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る予混合圧縮着火燃焼エンジンの要部側断面図である。
【図２】図１の II-II線断面図である。
【図３】上記予混合圧縮着火燃焼エンジンの各バルブおよび燃料噴射の開閉タイミングを示す説明図である。
【符号の説明】
５ シリンダを構成するシリンダライナー
６ シリンダを構成するヘッドライナー
１０ 主室
１１ 連絡口
１２ 副室
１５ 遮熱層としての空気断熱層
１６ 副室バルブ
２２ 遮熱層としての空気断熱層
２３ カム機構
２９ 噴射ノズル

Claims (5)

1. シリンダ内のピストン上方に区画される主室と、
   該主室の上部に連絡口を介して接続された副室と、
   該副室と上記主室との連絡口を開閉する副室バルブと、
   上記連絡口に向けて液体燃料を噴射する噴射ノズルと、
   該噴射ノズルおよび上記副室バルブの作動を制御するコントローラとを備え、
   上記副室バルブは、開かれたとき上記連絡口を開放し、閉じられたとき上記連絡口を閉鎖するものであり、
   上記コントローラは、
   圧縮行程前半におけるピストンが下方位置のとき、上記副室バルブを開き、上記噴射ノズルから液体燃料を噴射して、開かれた副室バルブ衝突することで上記主室の内部に拡散させ、
   次いで上記副室バルブを閉じ、
   圧縮行程後半にてピストンが上死点直前となったとき、再び上記副室バルブを開き、膨張行程及び排気行程のあいだ開弁され続け、吸入行程において吸入空気が上記主室に流入する際に上記副室バルブを閉じる制御を行なう
   ことを特徴とする予混合圧縮着火燃焼エンジン。
2. 上記コントローラは、ピストン上死点直前にて上記副室バルブを開いたとき、上記噴射ノズルから上記連絡口に向けて着火トリガー用の燃料を噴射するものである請求項１記載の予混合圧縮着火燃焼エンジン。
3. 上記コントローラは、上記副室バルブを所定のタイミングで開閉すべく、クランク軸の回転に連動して作動するカム機構を有する請求項１記載の予混合圧縮着火燃焼エンジン。
4. 上記副室および副室バルブは、セラミックス等の耐熱材から形成され、それらの外周に遮熱層が設けられた請求項１記載の予混合圧縮着火燃焼エンジン。
5. 上記副室および連絡口が、上記シリンダの中央部に配置されている請求項１記載の予混合圧縮着火燃焼エンジン。

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