JP4552696B2

JP4552696B2 - 予混合燃焼圧縮着火内燃機関

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Publication number: JP4552696B2
Application number: JP2005057815A
Authority: JP
Inventors: 康司北野; 誠太郎三澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: JP2006242074A

Description

本発明は、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関に関する。

圧縮着火内燃機関において、ＮＯｘの抑制とスモークの抑制を目的として予混合燃焼を行う場合、該圧縮着火内燃機関の運転状態が高負荷運転状態となって機関負荷および機関回転速度が上昇するに従い、過早着火が生じる可能性が高くなる。そこで、該圧縮着火内燃機関の運転状態に基づいて、低・中負荷時は予混合燃焼を行い、高負荷時は通常燃焼（拡散燃焼）を行う技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。この技術においては、予混合燃焼から通常燃焼への切替は、一サイクル中に予混合燃焼と通常燃焼の双方を行う多段噴射を経由して行われる。これにより、燃焼切替の円滑化を図ろうとするものである。

また、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関であって、その吸気ポートに予混合気を形成するための予混合燃焼用噴射弁を備える技術が公開されている。（例えば、特許文献２、３を参照。）。これにより、より早い時期に予混合燃焼用噴射弁から燃料を噴射して気筒内に予混合気を形成することで、吸気と噴射燃料との混合をより促進し、エミッションの改善を図ろうとするものである。
特開平１１−３２４７６４号公報特開２００４−１９７５９３号公報特開２００４−１９７５９９号公報実開昭６４−３４４３４号公報実開平５−９２４６９号公報特開平９−９６２５６号公報特開２００２−３２７６５３号公報

予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、予混合気を形成するための燃料噴射を吸気ポートや吸気枝管に設けられた噴射弁で行うことで、燃料噴射から自着火までの期間を可及的に長くし、吸気とより混合された均一な予混合気を形成して、エミッションの改善が図られる。

しかし、上記の圧縮着火内燃機関において、使用される機関燃料、例えば軽油等が噴射されても、その燃料の蒸発性の低さから、吸気ポートや吸気枝管内に良好に予混合気を形成せずに、それらの内壁面に付着する場合がある。そして、この付着した燃料が、後に気筒内に進入し、気筒内の空燃比が低下することでスモークが発生したり、また気筒内壁面から潤滑オイルに燃料が混入することで潤滑オイルが希釈されたりする虞がある。

本発明では、上記した問題に鑑み、予混合気を形成するための燃料噴射を吸気ポートや吸気枝管に設けられた噴射弁で行う予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、噴射燃料が吸気ポートや吸気枝管の内壁面に付着するのを回避することを目的とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、吸気ポートまたは吸気枝管に設けられた噴射弁からの燃料噴射において、噴射燃料を微粒化するとともに、予混合燃焼によって生じたＥＧＲガスを該噴射弁からの噴射燃料に吹き付けることで、予混合気を形成する噴射燃
料の蒸発を促進させる。これにより、吸気ポートまたは吸気枝管の内壁面に燃料が付着するのを回避することが可能となる。

詳細には、本発明は、圧縮着火内燃機関の吸気枝管または吸気ポートに燃料噴射を行うための予混合燃焼用噴射弁を有し、該予混合燃焼用噴射弁から圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に燃料噴射を行い気筒内に予混合気を形成して予混合燃焼を行う予混合燃焼圧縮着火内燃機関であって、前記予混合燃焼用噴射弁には、噴射燃料を微粒化する微粒化手段が備えられ、予混合燃焼で生じるＥＧＲガスを、前記予混合燃焼用噴射弁が設けられた前記吸気枝管または前記吸気ポートの噴射弁設置部位近傍のＥＧＲガス導入口に導く高温ＥＧＲ装置を、更に備えることを特徴とする予混合燃焼圧縮着火内燃機関である。

上述の圧縮着火内燃機関において予混合燃焼を行う場合、予混合燃焼用噴射弁からの燃料噴射を圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に行うことで、吸気と燃料がより混合された予混合気を形成する。これによって、ＮＯｘやスモークの抑制を図る。尚、本発明における予混合燃焼においては、予混合燃料を一回の燃料噴射で噴射する場合に限られず、気筒の内壁面に燃料が付着するのを回避する等の理由で複数回の燃料噴射によって予混合燃料を噴射する場合も含まれる。

ここで、予混合燃焼用噴射弁には微粒化手段が備えられ、噴射燃料が微粒化されるようになっている。この燃料の微粒化は、予混合気形成のための噴射燃料が速やかに蒸発することを主な目的としている。そして、微粒化手段による噴射燃料の微粒化は、前記予混合燃焼用噴射弁の噴口径が所定大きさより小さいこと、該予混合燃焼用噴射弁における噴射圧が所定噴射圧より大きいこと、または該予混合燃焼用噴射弁から噴射された燃料を衝突させる衝突子が設けられることのうち少なくともいずれかによって、達成することができる。上記所定大きさおよび所定噴射圧とは、噴射燃料の粒径が蒸発促進のために適した粒径となるための噴口の大きさおよび噴射圧である。噴口の大きさは小さくなるほど、噴射圧は大きくなるほど、噴射燃料の微粒化は促進される。衝突子とは、噴射燃料が衝突されることで燃料の粒径を小さくしていく装置である。また、これらを組み合わせて噴射燃料の微粒化を行ってもよい。更に、噴射燃料の温度を上昇させることで、その微粒化を行ってもよい。

そして、この予混合燃焼用噴射弁から噴射された微粒化された燃料に、予混合燃焼によって生じたＥＧＲガスが直接、高温ＥＧＲ装置によって吹き付けられる。即ち、ＥＧＲガス導入口から吸気枝管または吸気ポートに導入された高温のＥＧＲガスと、予混合燃焼用噴射弁からの噴射燃料が混ざり合うことで、微粒化によって表面積が拡大された噴射燃料の蒸発がより促進される。その結果、噴射燃料の吸気枝管または吸気ポートの内壁面への付着が回避される。

ここで、上記の予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、前記ＥＧＲガス導入口は、前記噴射弁設置部位の吸気流れにおける下流側に位置するようにしてもよい。即ち、吸気枝管または吸気ポート内に存在する高温のＥＧＲガスに向かって予混合燃焼用噴射弁から燃料を噴射することで、噴射燃料の蒸発を図る。また、ＥＧＲガス導入口と予混合燃焼用噴射弁との位置関係から、予混合燃焼用噴射弁にはＥＧＲガスが直接当たらない。そのため、ＥＧＲガス中の煤が予混合燃焼用噴射弁に付着したり、該噴射弁内の燃料が炭化したりするのを回避することが可能となる。

更に、上述までの予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、前記高温ＥＧＲ装置は、前記予混合圧縮着火内燃機関のシリンダヘッドの内部に設けられていてもよい。シリンダヘッド内部に高温ＥＧＲ装置を設けることで、ＥＧＲガスを吸気系に再循環させる経路の長さを可及的に短くすることが可能となる。その結果、ＥＧＲガスの温度低下を抑制し、噴射
燃料の蒸発に適した高温のＥＧＲガスを吸気枝管または吸気ポートに導入することが可能となる。

更に、上述までの予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、前記ＥＧＲガス導入口は、前記予混合燃焼用噴射弁からの噴射燃料が付着する前記吸気枝管または前記吸気ポートの所定付着部位に向けて開口するようにしてもよい。この所定部位とは、吸気枝管または吸気ポートの中でも、予混合燃焼用噴射弁からの噴射燃料が付着しやすい部位をいう。そこで、該所定部位に向かって高温のＥＧＲガスが当たるように、ＥＧＲガス導入口の開口する方向を設定することで、噴射燃料の吸気枝管または吸気ポートの内壁面への付着を回避することが可能となる。

ここで、逆に、上記の予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、前記ＥＧＲガス導入口は、前記噴射弁設置部位の吸気流れにおける上流側に位置する場合、前記ＥＧＲガス導入口から前記吸気枝管または前記吸気ポートに突出し且つ前記予混合燃焼用噴射弁に向けて開口することで、該ＥＧＲガス導入口からＥＧＲガスを導入するＥＧＲガス導入装置を、更に備えるようにしてもよい。

ＥＧＲガス導入口が噴射弁設置部位の上流側に位置する場合、ＥＧＲガスが噴射燃料と混ざる前に新気と混ぜることでＥＧＲガス温度が低下する虞がある。そこで、ＥＧＲガス導入装置を備えることで、ＥＧＲガスが新気と混ざるのを可及的に回避した状態で予混合燃焼用噴射弁からの噴射燃料と混ざることが可能となる。これにより、噴射燃料の吸気枝管または吸気ポートの内壁面への付着を回避することが可能となる。

ここで、上述までの予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼で生じるＥＧＲガスの少なくとも一部を冷却するＥＧＲクーラーと、前記ＥＧＲクーラーによって冷却されたＥＧＲガスを、前記予混合燃焼圧縮着火内燃機関の吸気通路に導く低温ＥＧＲ装置と、前記予混合燃焼圧縮着火内燃機関の運転状態に基づいて、前記高温ＥＧＲ装置と前記低温ＥＧＲ装置を流れるそれぞれのＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲ調整装置と、を更に備えるようにしてもよい。

低温ＥＧＲ装置を設け、ＥＧＲ調整装置によって高温ＥＧＲ装置と低温ＥＧＲ装置に流れ込むＥＧＲガスの流量を調整することで、最終的に気筒内の温度を、予混合燃焼圧縮着火内燃機関の運転状態に適した温度に制御することが可能となる。このとき、高温ＥＧＲ装置によって予混合燃焼用噴射弁からの噴射燃料の蒸発は十分に確保されているので、予混合燃焼時に、吸気枝管または吸気ポートの内壁面への燃料の付着を回避しつつ、気筒内温度を過早着火が回避し得る温度に制御することが可能となる。

また、上記の予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、前記ＥＧＲ調整装置は、前記予混合燃焼圧縮着火内燃機関において予混合燃焼が行われるとき、前記高温ＥＧＲ装置を流れるＥＧＲガス流量を所定流量以上に維持した状態で、該予混合燃焼圧縮着火内燃機関の機関負荷が上昇するに従い前記低温ＥＧＲ装置を流れるＥＧＲガス流量を増量していくようにしてもよい。

予混合燃焼圧縮着火内燃機関の機関負荷が上昇するに従い燃料噴射量が増加するため、予混合燃焼において過早着火が生じる可能性が高くなる。そこで、気筒内により多くのＥＧＲガスを供給するべく、ＥＧＲ調整装置によって低温ＥＧＲ装置を流れるＥＧＲガス流量を増量する。しかし、予混合燃焼用噴射弁から噴射された燃料の蒸発を十分に確保するために、ＥＧＲ調整装置は、高温ＥＧＲ装置を流れるＥＧＲガス流量を所定流量以上に維持する。即ち、過早着火を回避するために低温のＥＧＲガスを増量しながらも、噴射燃料の蒸発が十分に行われるように、高温ＥＧＲ装置と低温ＥＧＲ装置とのそれぞれに流れる
ＥＧＲガス流量がＥＧＲ調整装置によって調整される。従って、上記の所定流量とは、予混合燃焼用噴射弁からの噴射燃料の蒸発が確保されるための高温のＥＧＲガス流量である。

更に、上記の予混合燃焼圧縮着火内燃機関が前記気筒内に燃料を噴射する拡散燃焼用噴射弁を備える場合、前記ＥＧＲ調整装置は、前記拡散燃焼用噴射弁からの燃料噴射によって拡散燃焼が行われるとき、前記高温ＥＧＲ装置へＥＧＲガスが流れ込むのを遮断するようにしてもよい。

上記の予混合燃焼圧縮着火内燃機関においては、例えば、該内燃機関の機関負荷が上昇し、予混合燃焼を行うと過早着火を回避することが困難となるとき、予混合燃焼ではなく拡散燃焼が行われる。この拡散燃焼は、圧縮行程上死点近傍の時期における燃料噴射によって行われる。このようなときには、予混合燃焼用噴射弁からの燃料噴射は行われないため、高温ＥＧＲ装置にＥＧＲガスを流す必要がなくなる。その結果、低温ＥＧＲ装置のみによってＥＧＲガスの再循環が行われるため、気筒内に効率的に多くのＥＧＲガスを供給することが可能となる。

予混合気を形成するための燃料噴射を吸気ポートや吸気枝管に設けられた噴射弁で行う予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、噴射燃料が吸気ポートや吸気枝管の内壁面に付着するのを回避することが可能となる。

ここで、本発明に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明が適用される圧縮着火内燃機関（以下、単に「内燃機関」という。）１の概略構成を表すブロック図である。また、図２は、内燃機関１の主に吸気系を中心とした断面図である。内燃機関１は、４つの気筒２を有する圧縮着火式内燃機関である。また、吸気枝管７に燃料を噴射する予混合燃焼用噴射弁３および気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する通常燃焼用噴射弁１１を備えている。予混合燃焼用噴射弁３は吸気枝管７に設けられ、通常燃焼用噴射弁１１と比べて噴射燃料に付与する貫徹力は小さい。そして予混合燃焼用噴射弁３から噴射された燃料が吸気枝管７内に拡散し、予混合燃焼用の予混合気を形成する。また、通常燃焼用噴射弁１１はシリンダヘッド３０に設けられ、気筒２内に直接燃料を噴射する。そして、通常燃焼用噴射弁１１からの噴射燃料は比較的貫徹力が強く、予混合燃焼用噴射弁３によって形成された予混合気の着火源となる燃料を噴射する。また、内燃機関１において予混合燃焼が行われないときは、通常燃焼用噴射弁３からの燃料噴射によって拡散燃焼が行われる。

また、予混合燃焼用噴射弁３および通常燃焼用噴射弁１１は、所定圧に加圧された燃料を貯留する蓄圧室４と接続されている。蓄圧室４には、燃料タンク５に貯留されている機関燃料である軽油が、燃料ポンプ６によって供給されている。尚、この燃料ポンプ６の駆動源は内燃機関１の機関出力の一部である。更に、内燃機関１の吸気枝管７の各枝管は、吸気ポート７ｂを介して燃焼室に接続される。同様に、内燃機関１には排気枝管１２が接続され、排気枝管１２の各枝管は排気ポートを介して燃焼室に接続される。ここで、吸気ポートおよび排気ポートには、各々吸気弁および排気弁が設けられている。

また、吸気枝管７は吸気管８に接続されている。更に、吸気管８における吸気枝管７の直上流に位置する部位には、吸気管８内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁１０が
、更に吸気絞り弁１０の上流側には、吸気管８を流れる吸入空気量を検出するエアフローメータ９が設けられている。一方、内燃機関１には、ＥＧＲ装置２１が設けられている。ＥＧＲ装置２１は排気枝管１２を流れる排気の一部を吸気枝管７の各枝管へ再循環させる。ＥＧＲ装置２１は、排気枝管１２（上流側）から吸気枝管７（下流側）へ延出しているＥＧＲ通路２２と、ＥＧＲガスの流量調整用のＥＧＲ弁２４と、から構成される。

エアフローメータ９と吸気絞り弁１０との間に位置する吸気管８には、排気のエネルギーを駆動源として作動する過給機１６のコンプレッサ側が設けられ、排気枝管１２には過給機１６のタービン側が設けられている。ここで、過給機１６は、いわゆる可変容量型遠心過給機であって、その可変ノズルの開度が調整されることで、最終的に到達する過給圧を細かく調整することが可能となる。過給機１６より下流の吸気管８には、過給機１６によって加圧されて高温となった吸入空気を冷却するためのインタークーラ１５が設けられている。また、過給機１６のタービン側は、排気管１３と接続され、この排気管１３は、下流にてマフラーに接続されている。そして、排気管１３の途中には、内燃機関１からの排気を浄化する排気浄化触媒１４が設けられている。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ここで、予混合燃焼用噴射弁３および通常燃焼用噴射弁１１は、ＥＣＵ２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、予混合燃焼用噴射弁３および通常燃焼用噴射弁１１からの燃料噴射時期および燃料噴射量が、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に応じて、噴射弁毎に制御され、以て内燃機関１において予混合燃焼や、通常燃焼が行われる。内燃機関１で行われる燃焼制御につては、後述する。また、ＥＧＲ弁２４、過給機１６の可変ノズルの開度の開閉等も、ＥＣＵ２０からの指令に従って制御される。

更に、アクセル開度センサ２６がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、クランクポジションセンサ２５がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や、該機関回転速度とギア比等から内燃機関１が搭載されている車両の車両速度等を算出する。

ここで、上記の内燃機関１においては、機関回転速度および機関負荷で表される内燃機関１の運転状態に基づいて、予混合燃焼と通常燃焼（拡散燃焼）とが選択的に行われる。図３に、内燃機関１の運転状態の属する燃焼領域と内燃機関１で行われる燃焼との関係を示す。尚、図３に示すグラフの横軸は内燃機関１の機関回転速度で、縦軸は内燃機関１の機関負荷を表す。ここで、内燃機関１の運転状態は機関回転速度と機関負荷とで表され、低負荷側の予混合燃焼領域Ｒ１、高負荷側の通常燃焼領域Ｒ２の何れかの燃焼領域に属する。

内燃機関１の機関負荷が大きくなり燃焼室に供給される燃料量が増大すると、又は機関回転速度が高くなり燃焼室内に予混合気を形成する実質的な時間が短くなると、燃焼室に形成される予混合気が均一とならず、過早着火が生じやすくなる。そこで、内燃機関１の運転状態が、過早着火を回避し得る予混合燃焼領域Ｒ１に属するときは予混合燃焼を行うことで、エミッションの改善や燃焼騒音の低減を図る。また、内燃機関１が、過早着火の回避が困難となる通常燃焼領域Ｒ２に属するときは予混合燃焼ではなく、いわゆる拡散燃
焼である通常燃焼を行うことで、高機関出力の発揮を図る。

上述したように、内燃機関１の運転状態が属する燃焼領域に応じて、予混合燃焼又は通常燃焼が行われるが、予混合燃焼時には、燃料噴射時期が圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期において予混合燃焼用噴射弁１１から吸気枝管７内に燃料が噴射され、吸気弁の開弁とともに予混合気が気筒２内に導入され、気筒２内に均一な予混合気が形成される。そして、予混合燃焼時の過早着火を抑制するために、内燃機関１の運転状態が予混合燃焼領域Ｒ１に属すると、ＥＣＵ２０によってＥＧＲ弁２４の開度が、内燃機関１の運転状態が通常燃焼領域Ｒ２に属する場合よりも開き側に制御され、より多くのＥＧＲガスが吸気枝管７を経て気筒２内に供給される。即ち、予混合燃焼と通常燃焼が行われるときとでは、ＥＧＲ弁２４の開度は、それぞれの燃焼に適した開度に制御される。

また、内燃機関１において予混合燃焼が行われるときは、気筒２内に吸気を導入すべく比較的高い過給圧が要求される。そこで、予混合燃焼時には、過給機１６の可変ノズルの開度を調整して内燃機関１における過給圧を上昇させる。一方で、通常燃焼時は、機関負荷が比較的大きいことによって排気枝管１２内の排気圧の過度の上昇に伴い燃焼状態が悪化するのを回避するために、該可変ノズルの開度が調整される。

ここで、図２に戻って、内燃機関１における予混合気の形成について詳細に説明する。ＥＧＲ装置２１によるＥＧＲガスの吸気枝管７への再循環は、ＥＧＲ通路２２が各枝管と導通するＥＧＲガス導入口２２ａを介して行われる。また、ＥＧＲ装置２１には、ＥＧＲガスを冷却するための特別の装置は設けられておらず、内燃機関１での予混合燃焼によって生じたＥＧＲガスが比較的高温の状態で、吸気枝管７に再循環される。ここで、本実施例におけるＥＧＲ導入口２２ａと予混合燃焼用噴射弁３との位置関係は、吸気の流れにおいて、ＥＧＲガス導入口２２ａが予混合燃焼用噴射弁３の下流側に位置している。そのため、予混合燃焼用噴射弁３から噴射された燃料は、比較的高温のＥＧＲガスに曝された状態で吸気と混ざり合い予混合気を形成していく。

また、予混合燃焼用噴射弁３においては、噴射燃料が微粒化されるように、その噴射圧が高められている。本実施例においては、予混合燃焼用噴射弁３の噴射圧は１００ＭＰａに設定されている。これによって、微粒化された噴射燃料が比較的高温のＥＧＲガスに曝されて、該燃料の蒸発が促進される。その結果、噴射燃料の大部分が予混合気の形成に寄与し、吸気枝管７や吸気ポート７ｂの内壁面に噴射燃料が付着するのが回避される。

ここで、図４に予混合燃焼用噴射弁３からの噴射燃料が予混合気を形成するときの吸気温度と、内燃機関１の潤滑オイルの希釈率との関係を示す。この潤滑オイルの希釈は、予混合燃焼用噴射弁３からの噴射燃料が吸気枝管７や吸気ポート７ｂの内壁面を伝って気筒２内に入り込み、気筒２の内壁面から潤滑オイルに混ざって引き起こされる。図４より、予混合気を形成するための吸気温度が高くなると、オイル希釈率が低下すること、即ち予混合燃焼用噴射弁３からの噴射燃料が吸気枝管７や吸気ポート７ｂの内壁面に付着する量が減少することが理解できる。更に、予混合燃焼用噴射弁３における噴射圧が高く設定されて噴射燃料の微粒化が行われると、劇的に混合燃焼用噴射弁３からの噴射燃料が吸気枝管７や吸気ポート７ｂの内壁面に付着する量が減少することが理解できる。

従って、図１および図２に示す本実施例の内燃機関１では、予混合燃焼用噴射弁３による燃料の微粒化と、噴射燃料が高温のＥＧＲガスに曝されることによる燃料の蒸発促進によって、混合燃焼用噴射弁３からの噴射燃料の吸気枝管７や吸気ポート７ｂの内壁面への付着を十分に回避することが可能となる。また、予混合燃焼用噴射弁３の吸気枝管７への取り付けについては、噴霧方向がＥＧＲ導入口２２ａから流れ出るＥＧＲガスに向かうように予混合燃焼用噴射弁３を取り付けることで、上記の効果を十分に引き出すことが可能
となる。

また、ＥＧＲガス導入口２２ａが予混合燃焼用噴射弁３の下流側に位置しているため、予混合燃焼用噴射弁３には直接ＥＧＲガスが当たらない。従って、予混合燃焼用噴射弁３の噴口がＥＧＲガス中の煤で詰まったり、噴射弁中の燃料が炭化したりする虞はない。

ここで、予混合燃焼用噴射弁３の噴射燃料の微粒化について、上記の実施例では、噴射圧を高く設定することで燃料の微粒化を行っているが、これに代えて予混用燃焼用噴射弁３の噴口径をより小さくしたり、噴口から噴射された燃料を衝突させる衝突子を設けたり、蓄圧室４に貯留されている燃料の温度を上昇させたり、またはこれらを複合的に行ったりすることで燃料の微粒化を行ってもよい。

図５に、本発明に係る予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関１の第二の実施例を示す。図５に示す内燃機関１は図１に示す内燃機関１の変化例であって、図５に示す内燃機関１の機関要素のうち図１に示す内燃機関１の機関要素と同一の機能を有するものについては同一の参照番号を付して、その機能の詳細な説明を省略する。本実施例における内燃機関１の特徴点は、ＥＧＲ装置２１を構成するＥＧＲ通路２２がシリンダヘッド３０の内部に設けられ、且つ実施例１で述べた予混合燃焼用噴射弁３とＥＧＲガス導入口２２ａの位置関係が保たれている点である。具体的には、上流側の吸気枝管７に予混合燃焼用噴射弁３が設けられ、ＥＧＲガス導入口２２ａが下流側の吸気ポート７ｂに開口している。

シリンダヘッド３０の内部にＥＧＲ通路２２が設けられることで、排気枝管１２から吸気枝管７に至るまでのＥＧＲガスが流れる経路の長さがより短くなり、吸気枝管７に再循環される時点でのＥＧＲガスの温度低下を可及的に抑制することが可能となる。その結果、予混合燃焼噴射弁３によって噴射された微粒化された燃料を、より高温のＥＧＲガスに曝すことが可能となり、以てより確実に噴射燃料が吸気枝管７や吸気ポート７ｂの内壁面に付着するのを回避することが可能となる。

図６に、本発明に係る予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関１の第三の実施例を示す。図６に示す内燃機関１は図１に示す内燃機関１の変化例であって、図６に示す内燃機関１の機関要素のうち図１に示す内燃機関１の機関要素と同一の機能を有するものについては同一の参照番号を付して、その機能の詳細な説明を省略する。本実施例における内燃機関１の特徴点は、ＥＧＲ装置２１を構成するＥＧＲ通路２２がシリンダヘッド３０の内部に設けられ、且つ実施例１で述べた予混合燃焼用噴射弁３とＥＧＲガス導入口２２ａの位置関係が保たれている点である。具体的には、シリンダヘッド３０内の吸気ポート７ｂにおいて、その上流側に予混合燃焼用噴射弁３が設けられ、その下流側にＥＧＲガス導入口２２ａが開口している。

上記の実施例２と同様に、このようにシリンダヘッド３０の内部にＥＧＲ通路２２が設けられることで、排気枝管１２から吸気枝管７に至るまでのＥＧＲガスが流れる経路の長さがより短くなり、吸気枝管７に再循環される時点でのＥＧＲガスの温度低下を可及的に抑制することが可能となる。その結果、予混合燃焼噴射弁３によって噴射された微粒化された燃料を、より高温のＥＧＲガスに曝すことが可能となり、以てより確実に噴射燃料が吸気枝管７や吸気ポート７ｂの内壁面に付着するのを回避することが可能となる。

図７に本発明に係る予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関１の第四の実施例を示す。図７に示す内燃機関１は図１、図５に示す内燃機関１の変化例であって、図７に示す内燃機関
１の機関要素のうち図１、図５に示す内燃機関１の機関要素と同一の機能を有するものについては同一の参照番号を付して、その機能の詳細な説明を省略する。本実施例における内燃機関１の特徴点は、ＥＧＲ装置２１を構成するＥＧＲ通路２２がシリンダヘッド３０の内部に設けられ、且つ実施例１で述べた予混合燃焼用噴射弁３とＥＧＲガス導入口２２ａの位置関係が保たれている点である。具体的には、上流側の吸気枝管７に予混合燃焼用噴射弁３が設けられ、ＥＧＲガス導入口２２ａが下流側の吸気ポート７ｂに開口している。更に、ＥＧＲガス導入口２２ａの開口方向が、吸気ポート７ｂの奥部Ｒ３に向かっている。この奥部Ｒ３は、吸気ポート７ｂの形状上、吸気（予混合燃焼用噴射弁３から噴射された燃料も含む。）があたりやすい場所であるため、奥部Ｒ３には噴射燃料の一部が付着しやすい。

そこで、このようにＥＧＲガス導入口２２ａの開口方向を奥部Ｒ３に向けることで、ＥＧＲガスＭ１が奥部Ｒ３に当たりその温度を常に高温状態に維持し、そこへの燃料付着を抑制することができる。また、仮に奥部Ｒ３に噴射燃料が付着しても、付着した燃料が直ちに蒸発するようになる。また、ＥＧＲガス導入口２２ａと予混合燃焼用噴射弁３との位置関係から、上述したように、予混合燃焼噴射弁３によって噴射された微粒化された燃料を、より高温のＥＧＲガスに曝すことが可能となり、以てより確実に噴射燃料が吸気枝管７や吸気ポート７ｂの内壁面に付着するのを回避することが可能となる。更に、シリンダヘッド３０の内部にＥＧＲ通路２２が設けられることで、排気枝管１２から吸気枝管７に至るまでのＥＧＲガスが流れる経路の長さがより短くなり、吸気枝管７に再循環される時点でのＥＧＲガスの温度低下を可及的に抑制することが可能となる。

図８に、本発明に係る予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関１の第五の実施例を示す。図８に示す内燃機関１は図１に示す内燃機関１の変化例であって、図８に示す内燃機関１の機関要素のうち図１に示す内燃機関１の機関要素と同一の機能を有するものについては同一の参照番号を付して、その機能の詳細な説明を省略する。予混合燃焼用噴射弁３は、吸気枝管７に設けられている。本実施例における内燃機関１の特徴点は、ＥＧＲガス導入口２２ａが予混合燃焼用噴射弁３の上流側に位置し、且つＥＧＲガス導入口２２ａからのＥＧＲガスは、ＥＧＲガス導入装置３２によって、予混合燃焼用噴射弁３の噴口近くまで導かれている。即ち、予混合燃焼用噴射弁３の噴口に向けて開口しているＥＧＲガス導入装置３２によって、ＥＧＲ通路２２を経て再循環されたＥＧＲガスが吸気枝管７内に供給される。

このように構成されることで、高温のＥＧＲガスが吸気枝管７を流れる新気と混ざり合い温度低下する前に、予混合燃焼用噴射弁３からの噴射燃料と混ざり合うことになる。その結果、微粒化された噴射燃料をより高温のＥＧＲガスに曝すことが可能となり、以てより確実に噴射燃料が吸気枝管７や吸気ポート７ｂの内壁面に付着するのを回避することが可能となる。

図９に、本発明に係る予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関１の第六の実施例を示す。図９に示す内燃機関１は図１に示す内燃機関１の変化例であって、図９に示す内燃機関１の機関要素のうち図１に示す内燃機関１の機関要素と同一の機能を有するものについては同一の参照番号を付して、その機能の詳細な説明を省略する。図１に示す内燃機関１と図９に示す内燃機関１との相違点は、ＥＧＲ装置２１の構成である。

本実施例においては、ＥＧＲ装置２１は、ＥＧＲ通路２２、ＥＧＲ弁２４に加えて、低温ＥＧＲ通路４１とＥＧＲクーラー４０とで構成される。低温ＥＧＲ通路４１はＥＧＲ弁２４から分岐して、吸気絞り弁１０の下流側の吸気管８につながる通路である。その低温
ＥＧＲ通路４１の途中に、そこを流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー４０が設けられている。また、本実施例におけるＥＧＲ弁２４は、ＥＧＲ通路２２と低温ＥＧＲ通路４１とに流れ込むＥＧＲガスのそれぞれの流量を制御する弁である。

低温ＥＧＲ通路４１にＥＧＲガスを流し込むことで、ＥＧＲクーラー４０によってＥＧＲガスが冷却される。その結果、気筒２内に供給される吸気温度が低下するとともに、より多くのＥＧＲガスを気筒２内に供給することが可能となるため、予混合燃焼における過早着火を効率的に回避することが可能となり、また拡散燃焼におけるエミッションの改善も図られる。そこで、本実施例における内燃機関１においては、その運転状態に基づいてＥＧＲ弁２４の開度を調整し、ＥＧＲ通路２２に流れるＥＧＲガス流量と低温ＥＧＲ通路４１に流れるＥＧＲガス流量とが制御される。

上記のＥＧＲガス流量の制御について、図１０に基づいて説明する。図１０中のグラフの横軸は内燃機関１の機関負荷を表し、縦軸は気筒２内に供給される吸入ガス量を表す。この吸入ガス量は、ＥＧＲ通路２２を流れて吸気枝管７に再循環される比較的高温のＥＧＲガス量（以下、「高温ＥＧＲガス量」という。）と、低温ＥＧＲ通路４１を流れてＥＧＲクーラー４０で冷却されて吸気管８に再循環される比較的低温のＥＧＲガス量（以下、「低温ＥＧＲガス量」という。）と、過給機１６によって過給された新気量の総和である。

ここで、内燃機関１の機関負荷が小さくその運転状態が予混合燃焼領域Ｒ１に属しているとき、予混合燃焼用噴射弁３からの燃料噴射によって予混合燃焼が行われる。このとき、常に高温ＥＧＲガス量は所定量Ｇ１以上となるように、ＥＧＲ弁２４の開度が調整される。この所定量Ｇ１は、上述した実施例１で示したように、予混合燃焼時に予混合燃焼用噴射弁３から噴射された微粒化された燃料を蒸発させるのに必要な高温ＥＧＲガス量である。また、内燃機関１の機関負荷の増加とともに予混合燃焼用噴射弁３からの燃料噴射量が増加していくため、過早着火の可能性が高くなる。そこで、機関負荷の増加とともに、低温ＥＧＲガス量を増量していき、気筒２内における実質的なＥＧＲガス量を過早着火が抑制可能な量に維持する。

更に、内燃機関１の機関負荷が上昇し、その運転状態が通常燃焼領域Ｒ２に属するようになると、予混合燃焼用噴射弁３からの燃料噴射が中止され、通常燃焼用噴射弁３からの燃料噴射により拡散燃焼が行われる。従って、この拡散燃焼が行われるときは、ＥＧＲ弁２４の開度を調整しＥＧＲ通路２２に流れるＥＧＲガス量を遮断し、ＥＧＲガスのすべてを低温ＥＧＲ通路４１に流す。このようにすることで、拡散燃焼時のエミッション改善に必要な量のＥＧＲガスを効率的に気筒２内に供給する。尚、内燃機関１の機関負荷が更に上昇した場合は、その機関負荷に対応すべく、ＥＧＲ装置２１によるＥＧＲガスの再循環を中断し、気筒２内に十分量の新気を確保する。

以上より、本実施例による内燃機関１においては、ＥＧＲ弁２４の開度の調整によって、予混合燃焼時の噴射燃料の吸気枝管７や吸気ポートへの付着を回避することが可能となるとともに、運転状態に応じて行われる燃焼に適した量のＥＧＲガスを気筒２内に供給することが可能となる。

図１１に、本発明に係る予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関１の第七の実施例を示す。図１１に示す内燃機関１は図９に示す内燃機関１の変化例であって、図１１に示す内燃機関１の機関要素のうち図９に示す内燃機関１の機関要素と同一の機能を有するものについては同一の参照番号を付して、その機能の詳細な説明を省略する。図９に示す内燃機関１と図１１に示す内燃機関１との相違点は、ＥＧＲ装置２１の構成である。

本実施例においては、ＥＧＲ装置２１は、ＥＧＲ通路２２、ＥＧＲ弁２４ａおよび２４ｂ、低温ＥＧＲ通路４１とＥＧＲクーラー４０とで構成される。そして、ＥＧＲ通路２２を流れるＥＧＲガス流量はＥＧＲ弁２４ｂによって、低温ＥＧＲ通路４１を流れるＥＧＲガス流量はＥＧＲ弁２４ａによって、それぞれＥＣＵ２０からの指令に基づいて制御される。尚、各ＥＧＲ弁の制御は、上述した実施例６における高温ＥＧＲガス量、低温ＥＧＲガス量が気筒２内に供給されるように行われる。

本発明の実施例１に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関の概略構成を表す図である。本発明の実施例１に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関の吸気系近傍の概略構成を表す図である。本発明の実施例に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、その運転状態が属する燃焼領域を示す図である。本発明の実施例に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼用噴射弁からの噴射圧毎の、吸気温度と潤滑オイルの希釈率との関係を示す図である。本発明の実施例２に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関の吸気系近傍の概略構成を表す図である。本発明の実施例３に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関の吸気系近傍の概略構成を表す図である。本発明の実施例４に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関の吸気系近傍の概略構成を表す図である。本発明の実施例５に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関の吸気系近傍の概略構成を表す図である。本発明の実施例６に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関の概略構成を表す図である。本発明の実施例６に係る圧縮着火内燃機関において、機関負荷と気筒内に供給される高温ＥＧＲガス量と低温ＥＧＲガス量との関係を示す図である。本発明の実施例７に係る予混合燃焼圧縮着火内燃機関の概略構成を表す図である。

符号の説明

１・・・・圧縮着火内燃機関（内燃機関）
２・・・・気筒
３・・・・予混合燃焼用噴射弁
７・・・・吸気枝管
７ｂ・・・・吸気ポート
８・・・・吸気管
１１・・・・通常燃焼用噴射弁
１２・・・・排気枝管
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・ＥＧＲ装置
２２・・・・ＥＧＲ通路
２２ａ・・・・ＥＧＲガス導入口
２４・・・・ＥＧＲ弁
２４ａ・・・・ＥＧＲ弁
２４ｂ・・・・ＥＧＲ弁
２５・・・・クランクポジションセンサ
２６・・・・アクセル開度センサ
３０・・・・シリンダヘッド
３２・・・・ＥＧＲガス導入装置
４０・・・・ＥＧＲクーラー
４１・・・・低温ＥＧＲ通路
Ｒ１・・・・予混合燃焼領域
Ｒ２・・・・通常燃焼領域
Ｒ３・・・・奥部

Claims

圧縮着火内燃機関の吸気枝管または吸気ポートに燃料噴射を行うための予混合燃焼用噴射弁を有し、該予混合燃焼用噴射弁から圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に燃料噴射を行い気筒内に予混合気を形成して予混合燃焼を行う予混合燃焼圧縮着火内燃機関であって、
前記予混合燃焼用噴射弁には、噴射燃料を微粒化する微粒化手段が備えられ、
予混合燃焼で生じるＥＧＲガスを、前記予混合燃焼用噴射弁が設けられた前記吸気枝管または前記吸気ポートの噴射弁設置部位近傍のＥＧＲガス導入口に導く高温ＥＧＲ装置と、
予混合燃焼で生じるＥＧＲガスの少なくとも一部を冷却するＥＧＲクーラーと、
前記ＥＧＲクーラーによって冷却されたＥＧＲガスを、前記予混合燃焼圧縮着火内燃機関の吸気通路に導く低温ＥＧＲ装置と、
前記予混合燃焼圧縮着火内燃機関の運転状態に基づいて、前記高温ＥＧＲ装置と前記低温ＥＧＲ装置を流れるそれぞれのＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲ調整装置と、
前記気筒内に燃料を噴射する拡散燃焼用噴射弁と、
を更に備え、
前記ＥＧＲ調整装置は、前記予混合燃焼圧縮着火内燃機関において予混合燃焼が行われるとき、前記高温ＥＧＲ装置を流れるＥＧＲガス流量を所定流量以上に維持した状態で、該予混合燃焼圧縮着火内燃機関の機関負荷が上昇するに従い前記低温ＥＧＲ装置を流れるＥＧＲガス流量を増量し、
前記ＥＧＲ調整装置は、前記予混合燃焼用噴射弁からの燃料噴射を中止し前記拡散燃焼用噴射弁からの燃料噴射によって拡散燃焼が行われるとき、前記高温ＥＧＲ装置へＥＧＲガスが流れ込むのを遮断し、ＥＧＲガスのすべてを前記低温ＥＧＲ装置へ流し込むことを特徴とする予混合燃焼圧縮着火内燃機関。
前記微粒化手段は、前記予混合燃焼用噴射弁の噴口径が所定大きさより小さいこと、該予混合燃焼用噴射弁における噴射圧が所定噴射圧より大きいこと、または該予混合燃焼用噴射弁から噴射された燃料を衝突させる衝突子が設けられることのうち少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の予混合燃焼圧縮着火内燃機関。
前記ＥＧＲガス導入口は、前記噴射弁設置部位の吸気流れにおける下流側に位置するこ
とを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の予混合燃焼圧縮着火内燃機関。
前記高温ＥＧＲ装置は、前記予混合圧縮着火内燃機関のシリンダヘッドの内部に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の予混合燃焼圧縮着火内燃機関。
前記ＥＧＲガス導入口は、前記予混合燃焼用噴射弁からの噴射燃料が付着する前記吸気枝管または前記吸気ポートの所定付着部位に向けて開口していることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の予混合燃焼圧縮着火内燃機関。
前記ＥＧＲガス導入口は、前記噴射弁設置部位の吸気流れにおける上流側に位置し、
前記ＥＧＲガス導入口から前記吸気枝管または前記吸気ポートに突出し且つ前記予混合燃焼用噴射弁に向けて開口することで、該ＥＧＲガス導入口からＥＧＲガスを導入するＥＧＲガス導入装置を、更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の予混合燃焼圧縮着火内燃機関。