JP6477848B1 - Premixed compression ignition engine - Google Patents
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Abstract
【課題】高い熱効率を実現しつつ未燃燃料の排出を抑制できる予混合圧縮着火式エンジンを提供する。
【解決手段】燃焼室6内で燃料と空気の混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室6内に水を噴射する水噴射手段14と、燃焼室6内に燃料を噴射する燃料供給手段15とを設ける。燃料供給手段14に、中負荷領域A1において、燃焼室6内で混合気が自着火を開始するように、圧縮上死点よりも前に燃焼室6内に燃料を供給させる。また、水噴射手段15に、中負荷領域A1において、燃焼室6内で混合気が自着火を開始する時点で燃焼室6内の径方向の外周部R2に水が偏在するように、燃料供給手段14によって燃焼室6に燃料が供給されてから混合気の自着火が開始するまでの間に燃焼室6内に水を噴射させる。
【選択図】図7The present invention provides a premixed compression ignition engine capable of suppressing discharge of unburned fuel while realizing high thermal efficiency.
In a premixed compression ignition engine capable of self-igniting a fuel / air mixture in a combustion chamber, water injection means for injecting water into the combustion chamber, And a fuel supply means 15 for injecting fuel. The fuel supply means 14 supplies fuel into the combustion chamber 6 before the compression top dead center so that the air-fuel mixture starts self-ignition in the combustion chamber 6 in the medium load region A1. Further, fuel is supplied to the water injection means 15 so that water is unevenly distributed in the radially outer peripheral portion R2 in the combustion chamber 6 when the air-fuel mixture starts self-ignition in the combustion chamber 6 in the medium load region A1. Water is injected into the combustion chamber 6 after the fuel is supplied to the combustion chamber 6 by the means 14 until the self-ignition of the air-fuel mixture starts.
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンに関する。 The present invention relates to a premixed compression ignition type engine including an engine body having a cylinder in which a combustion chamber is formed, and capable of self-igniting a mixture of fuel and air in the combustion chamber.
従来、ガソリンを含む燃料が用いられるエンジンでは、点火プラグの火花点火により混合気を強制的に着火させ、その後火炎伝播により燃焼室内の混合気を燃焼させる燃焼形態が一般的であったが、近年、このような燃焼形態に代えて、ガソリンを含む燃料と空気との混合気をいわゆる予混合圧縮着火燃焼させる研究が進められている。 Conventionally, in an engine in which fuel including gasoline is used, a combustion mode in which the air-fuel mixture is forcibly ignited by spark ignition of a spark plug and then the air-fuel mixture in the combustion chamber is combusted by flame propagation has been common. In place of such a combustion mode, research is being carried out to so-called premixed compression ignition combustion of a mixture of fuel containing gasoline and air.
予混合圧縮着火燃焼は、ガソリンを含む燃料と空気とを予め混合させておき、この混合気を高温・高圧の環境下で自着火させる燃焼形態であり、火炎伝播燃焼に比べて、エンジン本体の高圧縮比化が可能であること等に伴って熱効率を高めることができると言われている。 Premixed compression ignition combustion is a combustion mode in which fuel containing gasoline and air are mixed in advance, and this mixture is self-ignited in a high-temperature and high-pressure environment. It is said that the thermal efficiency can be increased along with the fact that a higher compression ratio is possible.
例えば、特許文献1には、点火プラグによる火花点火によって混合気の自着火を誘発するようにしたエンジンが開示されている。
For example,
予混合圧縮着火燃焼では、混合気を自着火可能な温度にまで高める必要がある。しかし、燃焼室の壁面付近では熱エネルギーが燃焼室外に放出されることで混合気の温度が低く抑えられる。そのため、燃焼室内の温度が比較的低い場合では、燃焼室の壁面付近の混合気が適切に自着火せず、燃焼室の外部に排出されるCO等の未燃物質が多くなるおそれがある。 In premixed compression ignition combustion, it is necessary to raise the mixture to a temperature at which self-ignition is possible. However, in the vicinity of the wall surface of the combustion chamber, the temperature of the air-fuel mixture can be kept low by releasing heat energy to the outside of the combustion chamber. For this reason, when the temperature in the combustion chamber is relatively low, the air-fuel mixture in the vicinity of the wall surface of the combustion chamber does not properly self-ignite, and there is a possibility that unburned substances such as CO discharged outside the combustion chamber increase.
本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、高い熱効率を実現しつつ未燃燃料の排出を抑制できる予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a premixed compression ignition engine capable of suppressing discharge of unburned fuel while realizing high thermal efficiency.
前記課題を解決するために、本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンであって、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射手段と、前記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段と、前記水噴射手段および前記燃料供給手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料供給手段に、エンジン負荷が最小となる運転領域と最大となる運転領域を除く運転領域に設定された中負荷領域において、前記燃焼室内で混合気が自着火を開始するように、圧縮上死点よりも前に前記燃焼室内に燃料を供給させるとともに、前記水噴射手段に、前記中負荷領域において、前記燃焼室内で混合気が自着火を開始する時点で当該燃焼室内の径方向の外周部に水が偏在するように、前記燃焼室内に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁が閉弁した後の圧縮行程中、且つ、前記燃料供給手段によって前記燃焼室に燃料が噴射されてから前記混合気の自着火が開始するまでの間に前記燃焼室内に水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する(請求項1)。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention includes a premixed compression ignition engine that includes an engine body having a cylinder in which a combustion chamber is formed, and is capable of self-igniting a mixture of fuel and air in the combustion chamber. The water injection means for injecting water into the combustion chamber; fuel supply means for supplying fuel into the combustion chamber; and control means for controlling the water injection means and the fuel supply means. In the fuel supply means, the air-fuel mixture starts self-ignition in the combustion chamber in an intermediate load region set in an operation region excluding an operation region where the engine load is minimum and an operation region where the engine load is maximum. The fuel is supplied into the combustion chamber before the compression top dead center, and the water injection means causes the water injection means to start self-ignition in the combustion chamber in the intermediate load region. So that the direction to the outer peripheral portion of water is unevenly distributed, during the compression stroke after the intake valve is closed for opening and closing the intake port for introducing intake air into the combustion chamber, and, to the combustion chamber by the fuel supply means Provided is a premixed compression ignition engine characterized in that water is injected into the combustion chamber between the time when fuel is injected and the time when self-ignition of the air-fuel mixture starts.
この構成によれば、中負荷領域において、CO等の未燃物質の排出を抑制できるとともに熱効率を高めることができる。 According to this configuration, it is possible to suppress the discharge of unburned substances such as CO in the medium load region and to increase the thermal efficiency.
具体的には、中負荷領域において、燃焼室の径方向の外周部には未燃燃料が残りやすい。これは、エンジン負荷が比較的低いことに加えて燃焼室の壁面によって冷却されることで燃焼室の外周部の温度が低く抑えられるためである。これに対して、燃焼室の外周部に、混合気が自着火を開始する高温高圧の状態で水を偏在させれば、水が化学反応して燃焼を促進する助剤となる。より詳細には、高温高圧の状態にある燃焼室に水を供給すると、これが気化して水蒸気になりOHラジカルが増加する。このOHラジカルは強力な酸化作用を有している。そのため、混合気が自着火を開始する時点で燃焼室の外周部に水を偏在させれば、外周部の燃焼を促進してCO等の未燃物質の排出を抑制できる。また、燃焼室の外周部の燃焼が促進されれば、燃焼期間を短くすることができる。従って、熱効率を高くすることができる。 Specifically, unburned fuel tends to remain in the radially outer peripheral portion of the combustion chamber in the medium load region. This is because the temperature of the outer peripheral portion of the combustion chamber is kept low by being cooled by the wall surface of the combustion chamber in addition to the relatively low engine load. On the other hand, if water is unevenly distributed on the outer periphery of the combustion chamber in a high temperature and high pressure state where the air-fuel mixture starts self-ignition, the water chemically reacts to promote combustion. More specifically, when water is supplied to the combustion chamber in a high-temperature and high-pressure state, it is vaporized to become water vapor and OH radicals increase. This OH radical has a strong oxidizing action. Therefore, if water is unevenly distributed in the outer peripheral portion of the combustion chamber when the air-fuel mixture starts self-ignition, combustion of the outer peripheral portion can be promoted and discharge of unburned substances such as CO can be suppressed. Further, if the combustion at the outer peripheral portion of the combustion chamber is promoted, the combustion period can be shortened. Therefore, thermal efficiency can be increased.
しかも、この構成では、燃焼室内に燃料が供給された後に水が噴射されているため、燃料噴射によって燃焼室内に形成される流動が、水が外周部から中央部分側に移動するのを抑制することができ、より確実に燃焼室の外周部に水を偏在させることができる。 In addition, in this configuration, since water is injected after the fuel is supplied into the combustion chamber, the flow formed in the combustion chamber by the fuel injection suppresses the movement of water from the outer peripheral portion to the central portion side. Thus, water can be more unevenly distributed on the outer periphery of the combustion chamber.
そして、この構成によれば、前記のように未燃物質の排出が抑制され且つ熱効率が高く維持されることから、これらを実現するために燃焼の開始時期を早くする必要がない。すなわち、この構成によれば燃焼の開始時期を遅くすることが可能となる。従って、燃焼初期に生じる筒内圧の急上昇ひいては燃焼騒音を小さく抑えつつ、未燃物質の排出を抑制し且つ熱効率を高くできる。 And according to this structure, since the discharge | emission of an unburned substance is suppressed and thermal efficiency is maintained highly as mentioned above, in order to implement | achieve these, it is not necessary to make the start time of combustion early. That is, according to this configuration, it is possible to delay the start time of combustion. Therefore, it is possible to suppress the discharge of unburned substances and increase the thermal efficiency while suppressing the sudden rise in the in-cylinder pressure generated in the early stage of combustion and the combustion noise.
前記構成において、前記制御手段は、前記中負荷領域において、前記点火手段によって前記混合気に点火させるのが好ましい(請求項2)。 In the above configuration, it is preferable that the control means ignites the air-fuel mixture by the ignition means in the medium load region (claim 2).
この構成によれば、中負荷領域において、水の潜熱作用によって混合気の温度が過度に低くなった場合でも混合気をより確実に自着火させることができる。 According to this configuration, even when the temperature of the air-fuel mixture becomes excessively low due to the latent heat action of water, the air-fuel mixture can be self-ignited more reliably in the middle load region.
前記構成において、前記制御手段は、前記中負荷領域において、前記燃焼室の外周部における水の体積濃度が5%以上となるように水を噴射するのが好ましい(請求項3)。 In the above configuration, it is preferable that the control means injects water so that the volume concentration of water in the outer peripheral portion of the combustion chamber is 5% or more in the medium load region.
このようにすれば、中負荷領域において、燃焼室の外周部により多くのOHラジカルを偏在させることができる。 In this way, more OH radicals can be unevenly distributed in the outer peripheral portion of the combustion chamber in the medium load region.
前記構成において、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は13以上25以下に設定されており、前記中負荷領域において、前記エンジン本体の有効圧縮比は11以上23以下に設定されているのが好ましい(請求項4)。 In the above configuration, it is preferable that the geometric compression ratio of the engine body is set to 13 or more and 25 or less, and the effective compression ratio of the engine body is set to 11 or more and 23 or less in the medium load region. (Claim 4).
この構成によれば、高い圧縮比によって熱効率をより確実に高くできる。 According to this configuration, the thermal efficiency can be more reliably increased by the high compression ratio.
以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、高い熱効率を実現しつつ未燃燃料の排出を抑制することができる。 As described above, according to the premixed compression ignition type engine of the present invention, it is possible to suppress discharge of unburned fuel while realizing high thermal efficiency.
(1)エンジン全体構成
図1は、本発明の予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、4ストロークのエンジン本体1と、エンジン本体1に燃焼用の空気を導入するための吸気通路20と、エンジン本体1で生成された排気を排出するための排気通路30とを備える。
(1) Overall Engine Configuration FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an engine system to which a premixed compression ignition engine of the present invention is applied. The engine system of the present embodiment includes a four-stroke engine
エンジン本体1は、例えば、4つの気筒2が図1の紙面と直交する方向に直列に配置された直列4気筒エンジンである。このエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体1は車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン本体1は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される。なお、燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。
The
図2は、エンジン本体1の概略断面図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view of the
エンジン本体1は、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、気筒2に往復動(上下動)可能に嵌装されたピストン5とを有する。
The
ピストン5の上方には燃焼室6が形成されている。燃焼室6はいわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド4の下面で構成される燃焼室6の天井面6a(以下、単に、燃焼室天井面6aという)は吸気側および排気側の2つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン5の冠面5a(以下、単に、ピストン冠面5aという)には、その中心部を含む領域をシリンダヘッド4とは反対側(下方)に凹ませたキャビティ19が形成されている。なお、ここでは、ピストン5の位置や混合気の燃焼状態によらず気筒2の内側空間のうちピストン冠面5aと燃焼室天井面6aとの間の空間を、燃焼室6という。
A
本実施形態では、エンジン本体1の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン5が下死点にあるときの燃焼室6の容積とピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積との比は、幾何学的圧縮比は13以上25以下(例えば20程度)に設定されている。ただし、吸気弁の閉弁時期が変更されることで、エンジン本体の有効圧縮比は変更される。本実施形態では、後述する中負荷領域A1において、エンジン本体の有効圧縮比は11以上23以下(例えば18程度)に設定されている。つまり、これが実現されるように吸気弁18の閉弁時期が設定されている。
In this embodiment, the geometric compression ratio of the
シリンダヘッド4には、吸気通路20から供給される空気を気筒2(燃焼室6)内に導入するための吸気ポート9と、気筒2内で生成された排気を排気通路30に導出するための排気ポート10とが形成されている。これら吸気ポート9と排気ポート10とは、気筒2毎にそれぞれ2つずつ形成されている。
The
シリンダヘッド4には、各吸気ポート9の気筒2側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁11と、各排気ポート10の気筒2側の開口をそれぞれ開閉する排気弁12とが設けられている。
The
シリンダヘッド4には、燃料を噴射するインジェクタ(燃料供給手段)14が設けられている。インジェクタ14は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面6aの中央付近に位置して燃焼室6の中央を臨むように取り付けられている。インジェクタ14は、燃焼室天井面6aの中央付近からピストン冠面5aに向かって、気筒2の中心軸を中心としたコーン状(詳しくはホローコーン状)に燃料を噴射するように構成されている。コーンのテーパ角(噴霧角)は、例えば90°〜100°である。
The
本実施形態では、インジェクタ14として、外開式のインジェクタが用いられている。なお、インジェクタ14は、前記のように気筒2の中心軸を中心としたコーン状に燃料を噴射可能なものであればどのような構成のものであってもよく、外開式に限らず、VCO(Valve Covered Orifice)ノズルタイプのインジェクタや、先端部に複数の噴孔が設けられかつ所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプのインジェクタや、ホロ−コーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタであってもよい。
In the present embodiment, an outward-opening type injector is used as the
シリンダヘッド4には、燃焼室6内の混合気を点火するための点火プラグ(点火装置)13が設けられている。点火プラグ13は、火花を放電して混合気を点火し混合気に点火エネルギーを付与する電極が形成された電極部13aを有する。点火プラグ13は、電極部13aが燃焼室の天井面6aの中央付近に位置して燃焼室6の中央を臨むように配置されている。
The
シリンダヘッド4には、燃焼室6の概略断面図である図3に示すように、さらに、燃焼室6内に、混合気の燃焼時に燃焼しない不活性物質である水を噴射する水インジェクタ(水噴射手段)15が設けられている。水インジェクタ15は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面6aの中央付近に位置して燃焼室6の中央を臨むように取り付けられている。水インジェクタ15は、燃焼室天井面6aの中央付近からからピストン冠面5aに向かって、気筒2の中心軸を中心としたコーン状(詳しくはホローコーン状)に水を噴射するように構成されている。このコーンのテーパ角(噴霧角)は、例えば90°〜100°である。水インジェクタ15としては、例えば、インジェクタ14と同様の構造を有する装置を適用することができる。なお、インジェクタ14と水インジェクタ15とは、図2の紙面と直交する方向に近接して並んでいる。
As shown in FIG. 3, which is a schematic sectional view of the
図1に戻り、吸気通路20には、上流側から順に、エアクリーナ21と、吸気通路20を開閉するためのスロットルバルブ22とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ22は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路20を遮断する。
Returning to FIG. 1, an
排気通路30には、上流側から順に、排気を浄化するための浄化装置31、コンデンサー32が設けられている。浄化装置31は、例えば、三元触媒を内蔵している。
The
コンデンサー32は、排気通路30を通過する排気中の水(水蒸気)を凝縮するためのものである。コンデンサー32と水インジェクタ15とは水供給通路35によって接続されており、コンデンサー32で生成された凝縮水は、水供給通路35を介して水インジェクタ15に供給される。このように、本実施形態では、水インジェクタ15は、排気から生成された水の供給を受けてこれを燃焼室6内に噴射する。より詳細には、水供給通路35には、コンデンサー32で生成された凝縮水を貯留する水タンク33が設けられるとともに、水タンク33内の水を圧送する水ポンプ34が設けられており、この水ポンプ34によって水タンク33から水インジェクタ15に凝縮水が供給される。例えば、水インジェクタ15には、その噴射圧が20MPaとなるように水が圧送される。また、本実施形態では、水ポンプ34は比較的低圧のポンプであり、水インジェクタ15から噴射される水は、エンジン冷却水の温度と同程度の90℃となっている。なお、これに代えて、高圧のポンプを用いて水の温度・圧力をさらに高くしてもよい。例えば、水インジェクタ15から超臨界水が噴射されるように水を加圧してもよい。
The
排気通路30には、排気通路30を通過する排気の一部をEGRガスとして吸気通路20に還流するためのEGR装置40が設けられている。EGR装置40は、吸気通路20のうちスロットルバルブ22よりも下流側の部分と排気通路30のうち浄化装置31よりも上流側の部分とを連通するEGR通路41、および、EGR通路41を開閉するEGRバルブ42を有する。また、本実施形態では、EGR通路41に、これを通過するEGRガスを冷却するためのEGRクーラ43が設けられており、EGRガスはEGRクーラ43にて冷却された後吸気通路20に還流される。
The
(2)制御系統
(2−1)システム構成
図4は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。図4に示すように、本実施形態のエンジンシステムは、PCM(パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段)100によって統括的に制御される。PCM100は、周知のとおり、CPU、ROM、RAM等から構成されるマイクロプロセッサである。
(2) Control System (2-1) System Configuration FIG. 4 is a block diagram showing an engine control system. As shown in FIG. 4, the engine system of the present embodiment is comprehensively controlled by a PCM (powertrain control module, control means) 100. As is well known, the
車両には各種センサが設けられており、PCM100はこれらセンサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック3には、エンジン回転数を検出するクランク角センサSN1が設けられている。また、吸気通路20を通って各気筒2に吸入される空気量を検出するエアフローセンサSN2が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサSN3が設けられている。
Various sensors are provided in the vehicle, and the
PCM100は、これらセンサSN1〜SN3等からの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、点火プラグ13、インジェクタ14、水インジェクタ15等のエンジンの各部を制御する。
The
(2−2)燃焼制御
本実施形態では、全運転領域において予混合圧縮着火燃焼(CI燃焼)が実施される。
(2-2) Combustion control In the present embodiment, premixed compression ignition combustion (CI combustion) is performed in the entire operation region.
具体的には、圧縮上死点よりも前にインジェクタ14から燃焼室6内に燃料が噴射される。そして、この燃料と空気との混合気を圧縮することで昇温し、圧縮上死点付近で自着火させる。
Specifically, fuel is injected from the
ここで、火炎伝播燃焼に比べてCI燃焼では熱効率(エンジントルク)を高めることができる。具体的には、CI燃焼では、燃焼室6内の複数の領域でそれぞれ燃焼を開始させることができる。従って、火炎伝播によって燃焼が進行する火炎伝播燃焼に比べて燃焼期間を短くでき、熱効率を高めることができる。
Here, the thermal efficiency (engine torque) can be increased in the CI combustion as compared with the flame propagation combustion. Specifically, in CI combustion, combustion can be started in a plurality of regions in the
しかしながら、エンジン負荷が比較的低く燃焼室6内の温度が比較的低い場合は、燃焼室6の径方向の外周部であって燃焼室6の壁面付近の混合気が完全燃焼せずにCOやHC等の未燃物質が多く生成されやすい。つまり、燃焼室6の壁面はエンジン冷却水等により冷却されている。そのため、燃焼室6の壁面に近い燃焼室6の外周部の温度は低く抑えられる。これより、燃焼室6内の温度が比較的低い場合において、燃焼室6の外周部では混合気の燃焼が不完全燃焼になりやすい。
However, when the engine load is relatively low and the temperature in the
これに対して、本願発明者らは、水から生成されるOHラジカルに着目し、OHラジカルによってCO等の排出を抑制するようにした。 On the other hand, the inventors of the present application focused on OH radicals generated from water, and suppressed emission of CO and the like by OH radicals.
具体的には、高温の燃焼室6内に水を噴射するとOHラジカルが生成される。OHラジカルは強い酸化作用を有している。そのため、混合気が不完全燃焼しやすい状態でも、混合気中に水を供給すれば、水から生成されたOHラジカルとCOやHCとを反応させて(COやHCを酸化させて)、CO2やH2O等とすることができる。
Specifically, when water is injected into the high-
ただし、燃焼室6の径方向の中央部は、燃焼室6の壁面から遠く温度が高い。そのため、燃焼室6の中央部に水を供給すると、生成されたOHラジカルの作用によって燃焼室6の中央部での燃焼が過剰に早くなり筒内圧が急上昇して燃焼騒音が生じるおそれがある。
However, the central portion of the
そこで、本実施形態では、燃焼室6の外周部R2に水が偏在するように、燃焼室6内に水を供給する。
Therefore, in the present embodiment, water is supplied into the
本実施形態では、図3に示すように、気筒2の中心軸に沿う方向から見ておよそキャビティ19の開口縁19aよりも径方向外側の領域R2が燃焼室6の外周部として設定されている。つまり、燃焼室6の内部空間を、キャビティ19の開口縁19aよりも径方向外側の領域を第2領域R2とし、第2領域R2よりも径方向内側の領域を第1領域R1として、この第2領域R2に水を偏在させる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, a region R <b> 2 radially outside the opening
また、エンジン負荷が特に低い領域では燃焼室6内の全体の温度が低い。そのため、この領域で燃焼室6に水を供給すると、水の潜熱作用によって燃焼室6内の温度がさらに低下する結果、混合気の自着火自体が阻害されるおそれがある。
Further, the temperature inside the
そこで、本実施形態では、エンジン負荷が最小となる運転領域と最大となる運転領域を除く運転領域に設定された中負荷領域にて、燃焼室6内に水を供給する。図5の制御マップに示すように、中負荷領域A1は、エンジン負荷が予め設定された第2基準負荷Tq1以下且つ第1基準負荷Tq2(第1基準負荷Tq1よりも低い値に設定されている)以上の領域A1であって、水の潜熱作用によって燃焼室6内の温度が過度に低下しない一方未燃のCOが生成しやすい領域A1に設定されている。
Therefore, in the present embodiment, water is supplied into the
また、中負荷領域A1においても水の潜熱作用によって混合気の自着火が阻害されるおそれがある。そこで、本実施形態では、混合気の自着火を確実に生じさせるべく、中負荷領域A1において、点火プラグによって混合気に点火を行い混合気の自着火を誘発させる。 In the middle load region A1, the self-ignition of the air-fuel mixture may be hindered by the latent heat action of water. Therefore, in the present embodiment, in order to surely cause the self-ignition of the air-fuel mixture, the air-fuel mixture is ignited by the spark plug in the middle load region A1 to induce self-ignition of the air-fuel mixture.
また、図6に示すように、水の体積濃度を5%以上とすればOHラジカルをより確実に生成することができることが分かっている。そこで、本実施形態では、第2領域R2の水の濃度が5%以上(例えば10%程度)となるように、燃焼室6に水を供給する。
Further, as shown in FIG. 6, it is known that OH radicals can be generated more reliably if the volume concentration of water is 5% or more. Therefore, in the present embodiment, water is supplied to the
図6は、燃焼室6内における、下記(1)で示される反応、つまり、水からOHラジカルが生成される反応の速度と温度との関係を示したグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the temperature of the reaction shown in the following (1) in the
図6における3つのラインL1〜L3は、燃焼室6内に水を供給したときのラインである。各ラインL1〜L3では、供給した水の量が異なっている。ラインL1は燃焼室6内において体積濃度が5%となる量の水を供給したときのライン、ラインL2は燃焼室6内において体積濃度が10%となる量の水を供給したときのライン、ラインL3は体積濃度が20%となる量の水を供給したときのラインである。一方、ラインL0は、水を供給しなかったときのラインである。
Three lines L <b> 1 to L <b> 3 in FIG. 6 are lines when water is supplied into the
図6において、反応速度が0のラインよりも上側のエリアは、反応式(1)において右向きの反応が生じているエリアである。一方、0のラインよりも下側のエリアは、反応式(1)において左向きの反応が生じているエリアである。例えば、水の体積濃度が5%で温度がT1のときはラインL1上の点X1となり、このときには反応式(1)の右向きの反応(H2+OH→H2O+H)が生じている。一方、水の体積濃度が5%で温度がT2のときはラインL1上の点X2となり、このときには反応式(1)の左向きの反応(H2O+H→H2+OH)が生じている。1000K程度を超えると温度が高くなるに従って反応式(1)の右向きの反応(H2+OH→H2O+H)の速度が大きくなっていく。しかし、温度がある程度高くなるとこの反応速度は低下し、さらに温度が高くなると、反応式(1)の左向きの反応(H2O+H→H2+OH)が生じはじめ、水からOHラジカルが生成される。 In FIG. 6, the area above the line where the reaction rate is 0 is an area where a reaction in the right direction occurs in the reaction equation (1). On the other hand, the area below the 0 line is an area where a reaction in the left direction occurs in the reaction formula (1). For example, when the volume concentration of water is 5% and the temperature is T1, the point is X1 on the line L1, and at this time, the reaction (H 2 + OH → H 2 O + H) in the right direction of the reaction formula (1) occurs. On the other hand, when the volume concentration of water is 5% and the temperature is T2, the point X2 on the line L1 is obtained, and at this time, the leftward reaction (H 2 O + H → H 2 + OH) of the reaction formula (1) occurs. When the temperature exceeds about 1000 K, the rate of the reaction (H 2 + OH → H 2 O + H) in the right direction of the reaction formula (1) increases as the temperature increases. However, when the temperature rises to some extent, the reaction rate decreases, and when the temperature rises further, the leftward reaction (H 2 O + H → H 2 + OH) of reaction formula (1) begins to occur, and OH radicals are generated from water. .
そして、図6に示されるように、水の体積濃度を5%以上とすればOHラジカルが確実に生成される。そこで、本実施形態では、前記のように、燃焼室6の外周部の水の濃度が5%以上となるように、燃焼室6の外周部に水を供給する。なお、水の体積濃度が高くなるほど、より広い温度範囲でOHラジカルの生成が可能になるとともにOHラジカルの生成速度は大きくなる。
And as FIG. 6 shows, if the volume concentration of water shall be 5% or more, OH radical will be produced | generated reliably. Therefore, in the present embodiment, as described above, water is supplied to the outer peripheral portion of the
次に、中負荷領域A1での、水および燃料の噴射パターンについて説明する。 Next, the water and fuel injection pattern in the medium load region A1 will be described.
図7は、中負荷領域A1における、燃料の噴射パターンと、水の噴射パターンと、熱発生率dQとを概略的に示した図である。図8は、中負荷領域A1における混合気の形成手順を説明するための図である。図8(1)〜(4)は、この順に時間が経過しており、図8の(1)〜(4)は、圧縮行程中の燃焼室6内の状態を示している。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the fuel injection pattern, the water injection pattern, and the heat generation rate dQ in the medium load region A1. FIG. 8 is a diagram for explaining the procedure for forming the air-fuel mixture in the medium load region A1. 8 (1) to (4) have elapsed in this order, and (1) to (4) in FIG. 8 show the state in the
図7および図8の(1)に示すように、まず、燃料噴射F11が実施されて、インジェクタ14により燃焼室6内に燃料が噴射される。
As shown in (1) of FIG. 7 and FIG. 8, first, fuel injection F <b> 11 is performed, and fuel is injected into the
例えば、圧縮行程前半に、燃料噴射F11が実施される。中負荷領域A1では、1燃焼サイクルでこの1回の燃料噴射F11のみが実施されるようになっており、要求されているエンジントルクに対応する量の燃料が、圧縮行程前半に燃焼室6内に噴射される。詳細には、本実施形態では中負荷領域A1において燃焼室6内の空燃比が理論空燃比よりもリーン(大きく)なるように構成されており、まず、要求されているエンジントルクに対応する空気の量が燃焼室6に導入され、この空気の量に対して空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるような量の燃料が噴射される。
For example, the fuel injection F11 is performed in the first half of the compression stroke. In the medium load region A1, only one fuel injection F11 is performed in one combustion cycle, and an amount of fuel corresponding to the required engine torque is in the
なお、本明細書において圧縮行程等の○○行程の前半、後半は、この行程を2等分したときの前半、後半のことを指す。 In the present specification, the first half and the second half of the XX stroke such as the compression stroke indicate the first half and the second half when the stroke is divided into two equal parts.
燃料噴射F11のしばらく後には、図8の(2)に示すように燃料は燃焼室6内全体に拡散する。
After a while after the fuel injection F11, the fuel diffuses throughout the
次に、図7および図8の(3)に示すように、水噴射W11が実施される。 Next, as shown in (3) of FIG. 7 and FIG. 8, water injection W11 is performed.
水噴射W11は、図8の(3)に示すように、水インジェクタ15から噴射された水が、燃焼室6の外周縁つまりピストン冠面5aの外周縁よりもわずかに径方向内側の部分に向かって飛散するタイミングで実施される。本実施形態では、水噴射W11は、圧縮行程の後半であって圧縮上死点のわずかに進角側の時期に実施される。
As shown in FIG. 8 (3), the water injection W11 is such that the water injected from the
本実施形態では、前記のように、水噴射W11において、第2領域R2内の水の体積濃度が5%以上となるような量の水が噴射される。つまり、第2領域R2の体積の5%に相当する量の水が噴射される。 In the present embodiment, as described above, in the water injection W11, an amount of water is injected such that the volume concentration of water in the second region R2 is 5% or more. That is, an amount of water corresponding to 5% of the volume of the second region R2 is injected.
水噴射W11により噴射された水は第2領域R2内に拡散し、図8の(4)に示すように第2領域R2に水が偏在することになる。 The water jetted by the water jet W11 diffuses into the second region R2, and the water is unevenly distributed in the second region R2 as shown in (4) of FIG.
ここで、水噴射W11の前に燃料噴射F11が行われている。従って、噴射された水が燃料噴霧によって燃焼室6全体に拡散されるのが防止される。つまり、前記のように第2領域R2付近に水を噴射しても、その後に燃料が噴射されると、この燃料噴射によって燃焼室6内に大きい流動が生じ第2領域R2内の水が燃焼室6全体に拡散するおそれがある。これに対して、水噴射W11の前に燃料噴射F11が行われていることで、この水の拡散を防止してより確実に水を第2領域R2に偏在させることができる。
Here, the fuel injection F11 is performed before the water injection W11. Therefore, it is prevented that the injected water is diffused throughout the
その後、図7に示すように、圧縮上死点付近で点火プラグ13により混合気に点火が行われ、圧縮上死点付近において混合気の自着火が開始する。
Thereafter, as shown in FIG. 7, the air-fuel mixture is ignited by the
このようにして、本実施形態では、中負荷領域A1において、混合気の燃焼時に第2領域R2に水が偏在され、第2領域R2においてOHラジカルが多量に存在する状態で混合気が燃焼する。 Thus, in the present embodiment, in the medium load region A1, water is unevenly distributed in the second region R2 during combustion of the air-fuel mixture, and the air-fuel mixture burns in a state where a large amount of OH radicals exist in the second region R2. .
なお、エンジン負荷が第1基準負荷Tq1未満の領域では、前記のように、混合気の自着火が確実に生じるように水の噴射は停止する。 Note that, in the region where the engine load is less than the first reference load Tq1, as described above, the water injection is stopped so that the self-ignition of the air-fuel mixture occurs reliably.
(3)作用等
以上のように、本実施形態では、中負荷領域A1において、混合気が自着火する前に燃焼室6の外周部(第2領域R2)に水を偏在させることで、燃焼室6の外周部での混合気の燃焼時にこの外周部に多量のOHラジカルを存在させることができる。従って、燃焼室6の外周部において、OHラジカルの酸化作用によって混合気の燃焼を促進することができ、COやHC等の未燃物質の生成を抑制できる。また、燃焼室6の外周部において、燃焼室6の壁面に冷却されることで燃焼が不完全となりCOやHC等の未燃物質が生成されたとしても、これらをOHラジカルによって酸化させてCO2やH2Oにすることができる。
(3) Action, etc. As described above, in the present embodiment, in the middle load region A1, the water is unevenly distributed in the outer peripheral portion (second region R2) of the
また、前記のように、燃焼室6の外周部において燃焼が促進されることで、燃焼室6内での燃焼期間を短くして熱効率を高くすることができる。
In addition, as described above, combustion is promoted at the outer peripheral portion of the
具体的には、混合気の自着火燃焼は、燃焼室6の壁面から遠く温度の高い径方向の中央部において開始し、その後、外周側に広がっていく。従って、燃焼室6の外周部の混合気は燃焼後期つまり圧縮上死点から遅角側で且つこの遅角量が大きいタイミングで生じる。そのため、燃焼室6の外周部での燃焼が緩慢となると燃焼期間が長くなり熱効率が悪化する。これに対して、本実施形態では、前記のように、燃焼室6の外周部6の燃焼が促進されるため燃焼期間を短く抑えることができる。
Specifically, the self-ignition combustion of the air-fuel mixture starts from the central portion in the radial direction that is far from the wall surface of the
特に、本実施形態では、燃焼室6内に燃料が供給された後に水が噴射されているため、燃料噴射によって燃焼室6内に形成される流動が水を拡散してしまうのを抑制できる。従って、より確実に燃焼室6の外周部に水を偏在させることができる。
In particular, in this embodiment, since water is injected after fuel is supplied into the
また、本実施形態では、未燃物質の排出を抑制するため、または/および、熱効率を高めるために燃焼の開始時期を早くする必要がなく燃焼騒音を小さくすることおよびNOxの生成量を低く抑えることも可能になる。 Further, in the present embodiment, it is not necessary to advance the start timing of combustion in order to suppress the discharge of unburned substances and / or to increase the thermal efficiency, thereby reducing the combustion noise and reducing the amount of NOx generated. It becomes possible.
図9を用いて具体的に説明する。図9は、中負荷領域A1における、クランク角と熱発生率dQとの関係を概略的に示したグラフである。図9の実線は、本実施形態の制御を実施したとき(燃焼室6の外周部に水噴射をおこなったとき)の熱発生率dQ2である。図9の破線の熱発生率dQ1および鎖線の熱発生率dQ3は、それぞれ燃焼室6内に水を噴射しなかったときの熱発生率である。
This will be specifically described with reference to FIG. FIG. 9 is a graph schematically showing the relationship between the crank angle and the heat generation rate dQ in the medium load region A1. The solid line in FIG. 9 represents the heat generation rate dQ2 when the control of the present embodiment is performed (when water is injected to the outer peripheral portion of the combustion chamber 6). The heat generation rate dQ1 indicated by a broken line and the heat generation rate dQ3 indicated by a chain line in FIG. 9 are heat generation rates when water is not injected into the
鎖線に示すように、燃焼室6内に水を噴射しなかった場合で、かつ、燃焼の開始時期を比較的遅くした場合は、燃焼室6の外周部での燃焼が緩慢となって燃焼期間が長くなり熱効率が低下する。また、燃焼室6の外周部で混合気が燃焼するタイミングが遅くなって燃焼室6の外周部の温度が低くなるため、CO等の排出量が多くなる。
As indicated by the chain line, when water is not injected into the
一方、破線に示すように燃焼の開始時期を早くすれば、燃焼期間を短くして熱効率を高めることができるとともに、燃焼室6の外周部での燃焼を圧縮上死点に近く温度の高い状態で行わせることができるためCO等の排出を抑制できる。しかしながら、この場合は、燃焼の初期において熱発生率が急激に立ち上がる。つまり、燃焼室6内での燃焼が急激になる。そのため、燃焼室6内の圧力すなわち筒内圧が急上昇して燃焼騒音が高くなる。また、燃焼室6内の温度すなわち筒内温度が非常に高くなって、NOxの生成量が増大する。
On the other hand, if the combustion start timing is advanced as shown by the broken line, the combustion period can be shortened to increase the thermal efficiency, and the combustion at the outer peripheral portion of the
これに対して、本実施形態では、前記のように燃焼室6の外周部での燃焼であって燃焼後期における燃焼が促進されることで、図9の実線で示すように、燃焼の開始時期を比較的遅くしても燃焼の終了時期を早くすることができる。従って、CO等の排出を抑制し且つ熱効率を高くしつつ、燃焼騒音およびNOx生成量の増大を抑制することが可能になる。
On the other hand, in the present embodiment, the combustion at the outer peripheral portion of the
(4)変形例
前記実施形態では、第2領域R2内の水の体積濃度を5%以上とした場合について説明したが、この体積濃度の具体的な値はこれに限らない。
(4) Modification In the embodiment, the case where the volume concentration of water in the second region R2 is set to 5% or more has been described, but the specific value of the volume concentration is not limited to this.
また、水噴射W11や燃料噴射F11の具体的な実施時期は前記に限らない。 Further, the specific implementation timing of the water injection W11 and the fuel injection F11 is not limited to the above.
また、前記実施形態では、1燃焼サイクル中に水噴射W11を1回だけ実施する場合について説明したが、混合気の自着火が開始する前に実施する水噴射W11に加えて混合気が自着火している状態で燃焼室6の外周部(第2領域R2)に水を噴射してもよい。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the water injection W11 was implemented only once in one combustion cycle, in addition to the water injection W11 implemented before the self-ignition of air-fuel mixture starts, the air-fuel mixture auto-ignites. In this state, water may be injected to the outer peripheral portion (second region R2) of the
また、前記実施形態では、中負荷領域A1において点火プラグによる点火を行った場合について説明したが、この点火は省略してもよい。ただし、前記のように、水の潜熱作用によって燃焼室6内の温度が過度に低下して混合気の自着火が阻害されるおそれがあるため、混合気の自着火を確実にするために点火を行うのが好ましい。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the ignition with a spark plug was performed in medium load area | region A1, this ignition may be abbreviate | omitted. However, as described above, since the temperature in the
また、前記実施形態では、燃料がガソリンを含む場合について説明したが、燃料の具体的な種類はこれに限らず、ナフサ(naphtha)であってもよい。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where a fuel contains gasoline, the specific kind of fuel is not restricted to this, A naphtha (naphtha) may be sufficient.
また、エンジン本体の幾何学的圧縮比および中負荷領域A1における有効圧縮比は前記に限らない。ただし、混合気の適切な自着火燃焼を実現して高い熱効率を得るために、幾何学的圧縮比および中負荷領域A1における有効圧縮比は前記のように設定されるのが好ましい。 Further, the geometric compression ratio of the engine body and the effective compression ratio in the middle load region A1 are not limited to the above. However, it is preferable that the geometric compression ratio and the effective compression ratio in the middle load region A1 are set as described above in order to achieve appropriate self-ignition combustion of the air-fuel mixture and obtain high thermal efficiency.
また、前記実施形態では、インジェクタ14によって燃料を燃焼室6内に噴射する場合について説明したが、これに代えて、燃料を吸気ポート9に供給してもよい。
In the above-described embodiment, the case where the fuel is injected into the
1 エンジン本体
2 気筒
6 燃焼室
13 点火プラグ(点火手段)
14 インジェクタ(燃料供給手段)
15 水インジェクタ(水噴射手段)
100 PCM(制御手段)
R2 第2領域(燃焼室の外周部)
1
14 Injector (fuel supply means)
15 Water injector (water injection means)
100 PCM (control means)
R2 second region (outer periphery of combustion chamber)
Claims (4)
前記燃焼室内に水を噴射する水噴射手段と、
前記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記水噴射手段および前記燃料供給手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記燃料供給手段に、エンジン負荷が最小となる運転領域と最大となる運転領域を除く運転領域に設定された中負荷領域において、前記燃焼室内で混合気が自着火を開始するように、圧縮上死点よりも前に前記燃焼室内に燃料を供給させるとともに、
前記水噴射手段に、前記中負荷領域において、前記燃焼室内で混合気が自着火を開始する時点で当該燃焼室内の径方向の外周部に水が偏在するように、前記燃焼室内に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁が閉弁した後の圧縮行程中、且つ、前記燃料供給手段によって前記燃焼室に燃料が噴射されてから前記混合気の自着火が開始するまでの間に前記燃焼室内に水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 A premixed compression ignition engine comprising an engine body having a cylinder in which a combustion chamber is formed, and capable of self-igniting a mixture of fuel and air in the combustion chamber,
Water injection means for injecting water into the combustion chamber;
Fuel supply means for supplying fuel into the combustion chamber;
Control means for controlling the water injection means and the fuel supply means,
The control means includes
In the fuel supply means, in an intermediate load region set in an operation region excluding an operation region where the engine load is minimum and an operation region where the engine load is maximum, the air-fuel mixture starts to self-ignite in the combustion chamber. While supplying fuel into the combustion chamber before the dead center,
The water injection means introduces intake air into the combustion chamber so that water is unevenly distributed in the radially outer periphery of the combustion chamber when the air- fuel mixture starts self-ignition in the combustion chamber in the medium load region. During the compression stroke after the intake valve for opening and closing the intake port for closing is closed, and after the fuel is injected into the combustion chamber by the fuel supply means until the self-ignition of the air-fuel mixture starts A premixed compression ignition engine characterized by injecting water into the combustion chamber.
前記混合気に点火する点火手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記中負荷領域において、前記点火手段によって前記混合気に点火させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 The premixed compression ignition type engine according to claim 1,
Further comprising ignition means for igniting the air-fuel mixture;
The premixed compression ignition type engine characterized in that the control means ignites the air-fuel mixture by the ignition means in the medium load region.
前記制御手段は、前記中負荷領域において、前記燃焼室の外周部における水の体積濃度が5%以上となるように水を噴射する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 The premixed compression ignition type engine according to claim 1 or 2,
The premixed compression ignition engine characterized in that the control means injects water so that the volume concentration of water in the outer peripheral portion of the combustion chamber is 5% or more in the medium load region.
前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は13以上25以下に設定されており、
前記中負荷領域において、前記エンジン本体の有効圧縮比は11以上23以下に設定されている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
The premixed compression ignition type engine according to any one of claims 1 to 3,
The geometric compression ratio of the engine body is set to 13 or more and 25 or less,
The premixed compression ignition type engine, wherein an effective compression ratio of the engine body is set to 11 or more and 23 or less in the medium load region.
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