JP5045368B2

JP5045368B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP5045368B2
Application number: JP2007271510A
Authority: JP
Inventors: 洋志坂井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: JP2009097468A

Description

この発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、圧縮自己着火燃焼方式およびスプレイガイド燃料噴射方式を採用すると共に窒素酸化物の排出量を低減できる内燃機関に関する。

近年の内燃機関では、エンジン効率を高めると共に窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減する観点から、圧縮自己着火燃焼方式が採用されている。かかる構成を有する従来の内燃機関として、特許文献１に記載される技術が知られている。

特開２００５−１０５９７４号公報

また、近年の内燃機関では、エンジンの燃費性能を向上させるために、スプレイガイド燃料噴射方式が採用されている。

しかしながら、圧縮自己着火燃焼方式およびスプレイガイド燃料噴射方式の双方を有する構成では、シリンダ内に形成される成層混合気の濃度が高すぎるため、窒素酸化物の排出量が増加するという課題がある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてされたものであって、圧縮自己着火燃焼方式およびスプレイガイド燃料噴射方式を採用すると共に窒素酸化物の排出量を低減できる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる内燃機関は、シリンダと、前記シリンダ内に往復可能に収容されるピストンと、前記シリンダ内に燃料を噴射する噴射孔を起点とする断面扇形状の噴霧形状を有するインジェクタと、前記インジェクタから噴射された燃料に点火する点火プラグとを有すると共に、アシスト点火を伴う圧縮自己着火燃焼方式およびスプレイガイド燃料噴射方式を採用する内燃機関であって、燃料の燃焼形態が拡散燃焼となる燃料点火時期を拡散燃焼時期と呼ぶと共に成層燃焼となる燃料点火時期を成層燃焼時期と呼ぶときに、低負荷運転時には、成層燃焼時期に燃料点火が行われ、高負荷運転時には、拡散燃焼時期に燃料点火が行われ、高負荷運転時であって負荷率が所定の閾値よりも大きいときに、拡散燃焼時期および成層燃焼時期に燃料点火がそれぞれ行われ、且つ、暖気運転時かつ拡散燃焼時期における前記燃料点火が通常運転時かつ拡散燃焼時期における前記燃料点火よりも遅角側にて行われると共に、暖気運転時かつ成層燃焼時期における前記燃料点火が通常運転時かつ成層燃焼時期における前記燃料点火よりも進角側にて行われることを特徴とする。

この内燃機関では、高負荷運転時（低負荷運転時よりも高い負荷率での運転時）に拡散燃焼が行われるので、高負荷運転時における窒素酸化物の発生量が低減される。これにより、低負荷運転時および高負荷運転時の双方（全運転領域）にて窒素酸化物の発生量が低減される利点がある。
また、この内燃機関では、一回目の燃料点火が拡散燃焼時期に行われた後に、さらに二回目の燃料点火が成層燃焼時期に行われる。これにより、未燃燃料が低減される利点がある。
また、この内燃機関では、暖気運転時かつ拡散燃焼時期における燃料点火が通常運転時よりも遅角側にて行われることにより、拡散燃焼の時間が短縮される。また、暖気運転時かつ成層燃焼時期における燃料点火が通常運転時よりも進角側にて行われることにより、成層燃焼の時間が拡大される。これにより、熱発生率が増加してエンジンの暖気が促進される利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、運転負荷に対する窒素酸化物の発生量を、成層燃焼時期に燃料点火が行われる場合と拡散燃焼時期に燃料点火が行われる場合とで比較したときに、高負荷運転時であって拡散燃焼時期における窒素酸化物の発生量が成層燃焼時期における窒素酸化物の発生量よりも少なくなる負荷率を基準として、前記成層燃焼時期と前記拡散燃焼時期との切り替えが行われる。

この内燃機関では、成層燃焼時期と拡散燃焼時期との切り替え点が適正化されるので、高負荷運転時における窒素酸化物の発生量が効果的に低減される利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、前記拡散燃焼時期の燃料点火は、前記インジェクタから噴射された燃料が前記点火プラグの点火位置に到達したとき以降であって前記シリンダ内にて巻き上げられる直前までの期間に行われる。

この内燃機関では、拡散燃焼が適正に行われて、未燃燃料の発生が低減される利点がある。

この発明にかかる内燃機関では、高負荷運転時（低負荷運転時よりも高い負荷率での運転時）に拡散燃焼が行われるので、高負荷運転時における窒素酸化物の発生量が低減される。これにより、低負荷運転時および高負荷運転時の双方（全運転領域）にて窒素酸化物の発生量が低減される利点がある。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施例に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

図１は、この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。図２〜図５は、図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。図６および図７は、図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。

［内燃機関］
この内燃機関１は、圧縮自己着火燃焼方式およびスプレイガイド燃料噴射方式を採用しており、例えば、筒内噴射式の４サイクルエンジンに適用される。内燃機関１は、シリンダ（シリンダボア）２と、シリンダ２内に往復可能に収容されるピストン３と、シリンダ２に連結される吸気ポート４および排気ポート５と、吸気ポート４を開閉する吸気バルブ４１および排気ポート５を開閉する排気バルブ５１と、シリンダ２（燃焼室）に燃料を噴射するインジェクタ６と、シリンダ２内の燃料に点火する点火プラグ７と、ポート噴射弁８とを有する（図１参照）。また、インジェクタ６は、スプレイガイド燃料噴射方式である。

エンジン稼働時には、まず、ピストン３が下降すると共に吸気バルブ４１が開弁されて、吸気が吸気ポート４からシリンダ２（燃焼室）内に吸入される（吸気行程）。次に、ピストン３が上昇してシリンダ２内の吸気が圧縮される（圧縮行程）。次に、この吸気とインジェクタ６から噴射された燃料とがシリンダ２内にて混合されて混合気となる。次に、この混合気が点火プラグ７により点火されてシリンダ２内で燃焼し（燃焼行程）、その燃焼エネルギーによりピストン３が駆動されてシリンダ２内を往復運動する。そして、このピストン３の往復運動がクランクシャフト（図示省略）の回転運動に変換されて動力が発生する。その後に、ピストン３が上昇すると共に排気バルブ５１が開放されて、シリンダ２内の燃焼ガスが排気ポート５から外部に排出される（排気行程）。

［燃料点火時期］
また、燃料点火時には、まず、インジェクタ６からシリンダ２内に燃料が噴射される（図３参照）。噴射された燃料は、インジェクタ６の噴射孔を起点とする断面扇形状の噴霧形状を有し、ピストン３の上死点側から下死点側に向かってシリンダ２内に拡散した後（図３（ａ）〜（ｃ））、ピストン３の下死点側から上死点側に向かって巻き上がる（図３（ｄ）および（ｅ））。そして、シリンダ２の上昇により燃料が圧縮自己着火燃焼する。また、所定のタイミングにて燃料点火（アシスト点火）が行われる。

ここで、噴射された燃料がピストン３の下死点側から上死点側に向かって巻き上げられたときに燃料点火が行われると（図３参照）、火炎伝播が生じて燃料（予混合気）が成層燃焼する。一方、噴射された燃料がピストン３の上死点側から下死点側に向かってシリンダ２内に拡散しているとき（燃料が巻き上げられる前）に燃料点火が行われると（図４参照）、燃料が拡散燃焼する。なお、拡散燃焼では、一般に、成層燃焼と比較して高負荷運転時における窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が低減される（図５参照）。また、この実施例では、燃料の燃焼形態が拡散燃焼となる燃料点火時期を拡散燃焼時期と呼び、成層燃焼となる燃料点火時期を成層燃焼時期と呼ぶ。

［燃料点火時期の切り替え］
この内燃機関１では、エンジンの運転負荷に応じて燃料点火時期の切り替えが行われる（図２参照）。例えば、低負荷運転時には、成層燃焼時期に燃料点火が行われ（図３参照）、高負荷運転時（低負荷運転時よりも高い負荷率での運転時）には、拡散燃焼時期に燃料点火が行われる（図４参照）。したがって、高負荷運転時における窒素酸化物の発生量が低減されることにより、全負荷域における窒素酸化物の排出量が低減される。なお、一般に、低負荷運転時とは、負荷率３０［％］前後の運転状態をいい、高負荷運転時とは、負荷率７５［％］〜８０［％］での運転状態をいう。また、低負荷運転時および高負荷運転時の区分けは、エンジン仕様などに応じて変動し得る。

また、運転負荷に対する窒素酸化物の発生量を、成層燃焼時期に燃料点火が行われる場合と拡散燃焼時期に燃料点火が行われる場合とで比較するとする（図５参照）。また、高負荷運転時であって拡散燃焼時期における窒素酸化物の発生量が成層燃焼時期における窒素酸化物の発生量よりも少なくなる点Ｐをとる。このとき、この実施例では、点Ｐを基準として、成層燃焼時期と拡散燃焼時期との切り替え（燃料点火時期の切り替え）が行われる。すなわち、この点Ｐよりも高負荷側では、拡散燃焼時期に燃料点火が行われる。これにより、高負荷運転時における窒素酸化物の発生量が効果的に低減される。また、この点Ｐよりも低負荷側では、成層燃焼時期に燃料点火が行われる。これにより、低運転負荷時にて燃料が圧縮自己着火燃焼する時期を遅らせ得る。

［効果］
以上説明したように、この内燃機関１では、高負荷運転時（低負荷運転時よりも高い負荷率での運転時）に拡散燃焼が行われるので、高負荷運転時における窒素酸化物の発生量が低減される（図５参照）。これにより、低負荷運転時および高負荷運転時の双方（全運転領域）にて窒素酸化物の発生量が低減される利点がある。例えば、高負荷運転時には、一般に燃料供給量が増加されるため、シリンダ２内の成層混合気の濃度が増加する。このため、高負荷運転時に成層燃焼が行われると、点火プラグ７を起点とした火炎伝播領域にて窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が増加するおそれがある。

また、低負荷運転時に成層燃焼が行われるので、拡散燃焼時期に燃料点火が行われる構成と比較して、燃料点火時期が遅角側になる（図２参照）。これにより、低運転負荷時にて燃料が圧縮自己着火燃焼する時期を遅らせ得るので、エンジンの燃焼効率を高め得る利点がある。また、低負荷運転時（混合気の濃度が低いとき）に拡散燃焼が行われる構成と比較して、窒素酸化物の発生量にかかる優位性が維持される利点がある（図５参照）。

また、この内燃機関１では、上記のように、高負荷運転時であって拡散燃焼時期における窒素酸化物の発生量が成層燃焼時期における窒素酸化物の発生量よりも少なくなる負荷率（点Ｐ）を基準として、成層燃焼時期と拡散燃焼時期との切り替えが行われる。かかる構成では、成層燃焼時期と拡散燃焼時期との切り替え点が適正化されるので、高負荷運転時における窒素酸化物の発生量が効果的に低減される利点がある。

［変形例］
また、この内燃機関１では、高負荷運転時であって負荷率が所定の閾値よりも大きいとき（超高負荷運転時。例えば、負荷率９５［％］〜１００［％］）に、拡散燃焼時期および成層燃焼時期に燃料点火がそれぞれ行われることが好ましい（図６参照）。すなわち、超高負荷運転時には、一般に、燃料供給量が高負荷運転時よりも増加する。このため、拡散燃焼時期のみに燃料点火が行われる構成では、拡散燃焼にて燃焼しなかった燃料（未燃燃料）が生ずるおそれがある。そこで、この内燃機関１では、一回目の燃料点火が拡散燃焼時期に行われた後に、さらに二回目の燃料点火が成層燃焼時期に行われる。これにより、未燃燃料が低減される利点がある。

なお、上記の構成では、さらに三回目以降の燃料点火が成層燃焼時期あるいは拡散燃焼時期において行われても良い。すなわち、燃料点火の回数が三回以上あってもよい。例えば、一回目の燃料点火から二回目の燃料点火の間に三回目の（あるいは連続的な）燃料点火が行われても良い。これらにより、未燃燃料の発生が低減される利点がある。

また、この内燃機関１では、（１）暖気運転時かつ拡散燃焼時期における燃料点火が通常運転時（暖気完了後の運転時）かつ拡散燃焼時期における燃料点火よりも遅角側にて行われ、また、（２）暖気運転時かつ成層燃焼時期における燃料点火が通常運転時かつ成層燃焼時期における燃料点火よりも進角側にて行われることが好ましい（図７参照）。すなわち、エンジン始動直後のような暖気運転時には、一般に吸気温度が低いため、燃料点火が難しいことがある。そこで、この内燃機関１では、（１）暖気運転時かつ拡散燃焼時期における燃料点火が通常運転時よりも遅角側にて行われることにより、拡散燃焼の時間が短縮される。また、（２）暖気運転時かつ成層燃焼時期における燃料点火が通常運転時よりも進角側にて行われることにより、成層燃焼の時間が拡大される。これにより、熱発生率が増加してエンジンの暖気が促進される利点がある。

なお、暖気運転時における燃料点火のタイミング（遅角量および進角量）は、エンジンの仕様などに応じて適宜選択され得る。

［付加的事項］
なお、この内燃機関１では、拡散燃焼時期の燃料点火は、インジェクタ６から噴射された燃料が点火プラグ７の点火位置に到達したとき以降であってシリンダ２内にて巻き上がる直前までの期間（図４（ｂ）〜図４（ｃ）の期間）にて行われることが好ましい。これにより、拡散燃焼が適正に行われて、未燃燃料の発生が低減される利点がある。例えば、この実施例では、インジェクタ６から噴射された燃料が点火プラグ７の点火位置に到達した直後（図４（ｂ）参照）に、拡散燃焼時期の燃料点火が行われている。

以上のように、この発明にかかる内燃機関は、圧縮自己着火燃焼方式およびスプレイガイド燃料噴射方式を採用すると共に窒素酸化物の排出量を低減できる点で有用である。

この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダ
３ピストン
４吸気ポート
４１吸気バルブ
５排気ポート
５１排気バルブ
６インジェクタ
７点火プラグ
８ポート噴射弁

Claims

シリンダと、前記シリンダ内に往復可能に収容されるピストンと、前記シリンダ内に燃料を噴射する噴射孔を起点とする断面扇形状の噴霧形状を有するインジェクタと、前記インジェクタから噴射された燃料に点火する点火プラグとを有すると共に、アシスト点火を伴う圧縮自己着火燃焼方式およびスプレイガイド燃料噴射方式を採用する内燃機関であって、
燃料の燃焼形態が拡散燃焼となる燃料点火時期を拡散燃焼時期と呼ぶと共に成層燃焼となる燃料点火時期を成層燃焼時期と呼ぶときに、低負荷運転時には、成層燃焼時期に燃料点火が行われ、高負荷運転時には、拡散燃焼時期に燃料点火が行われ、
高負荷運転時であって負荷率が所定の閾値よりも大きいときに、拡散燃焼時期および成層燃焼時期に燃料点火がそれぞれ行われ、且つ、
暖気運転時かつ拡散燃焼時期における前記燃料点火が通常運転時かつ拡散燃焼時期における前記燃料点火よりも遅角側にて行われると共に、暖気運転時かつ成層燃焼時期における前記燃料点火が通常運転時かつ成層燃焼時期における前記燃料点火よりも進角側にて行われることを特徴とする内燃機関。
運転負荷に対する窒素酸化物の発生量を、成層燃焼時期に燃料点火が行われる場合と拡散燃焼時期に燃料点火が行われる場合とで比較したときに、
高負荷運転時であって拡散燃焼時期における窒素酸化物の発生量が成層燃焼時期における窒素酸化物の発生量よりも少なくなる負荷率を基準として、前記成層燃焼時期と前記拡散燃焼時期との切り替えが行われる請求項１に記載の内燃機関。
前記拡散燃焼時期の燃料点火は、前記インジェクタから噴射された燃料が前記点火プラグの点火位置に到達したとき以降であって前記シリンダ内にて巻き上げられる直前までの期間に行われる請求項１または２に記載の内燃機関。