JPH07317588A - 圧縮着火式内燃機関およびその燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スモークおよびＮＯ_X の発生量をほぼ零にす
る。 【構成】 ほぼ圧縮上死点前６０度以前の圧縮行程中又
は吸気行程中において燃焼室５内に燃料を噴射し、この
ときの噴射燃料の平均粒径を平均粒径の燃料粒子の温度
がほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後にそのときの圧力に
より定まる主要燃料成分の沸点に達する粒径以上とす
る。噴射後ほぼ圧縮上死点に達するまでは燃料粒子から
の沸騰による燃料の蒸発が阻止され、ほぼ圧縮上死点後
に燃料粒子の燃料が沸騰蒸発して燃料が着火燃焼する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧縮着火式内燃機関およ
びその燃焼方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の圧縮着火式内燃機関では平均粒径
が２０μｍ〜５０μｍ程度或いはそれ以下である燃料が
圧縮上死点前３０度程度以後に燃焼室内に噴射される。
また、特開昭６０−２５６５２３号公報に記載されてい
る特殊な圧縮着火式内燃機関では吸気通路内に吸気絞り
弁或いは排気通路内に排気絞り弁を設け、機関低負荷運
転時には燃料噴射時期を上死点前１２０度程度まで早め
ると共に吸気絞り弁又は排気絞り弁の少くとも一方を閉
弁するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで平均粒径が２
０μｍ〜５０μｍ程度、或いはそれ以下の燃料を圧縮上
死点前３０度程度以後に噴射するようにした通常の圧縮
着火式内燃機関では噴射が開始されるや否や噴射燃料の
一部がただちに気化し、この気化した燃料の燃焼火災中
に後続の燃料が突入して噴射燃料が順次燃焼せしめられ
る。しかしながらこのように燃焼火炎中に突入した燃料
を順次燃焼させるようにするとこれらの燃料は空気不足
の状態で燃焼せしめられるために多量の未然ＨＣやすす
が発生することになる。

【０００４】また、このような通常の圧縮着火式内燃機
関では燃料噴射が限られた領域内に形成され、従って燃
焼室内の限られた領域内において燃焼が行われる。しか
しながらこのように限られた領域内において燃焼が行わ
れると燃焼室内全体で燃焼が行われた場合に比べて局所
的な燃焼温度が高くなり、斯くして多量のＮＯ_x が発生
することになる。また、噴射燃料の平均粒径を小さくす
ればするほど噴射時にただちに気化する燃料が増大する
ために噴射開始後着火遅れ期間を経過したときの爆発的
燃焼による急激な圧力上昇が激しくなり、その結果燃焼
温度が更に高くなるために更に多量のＮＯ_x が発生する
ことになる。

【０００５】また、特開昭６０−２５６５２３号公報に
記載されている圧縮着火式内燃機関では機関低負荷運転
時に吸気絞り弁又は排気絞り弁を閉弁することにより燃
焼室内の残留既燃ガス量を増大させ、残留既燃ガス熱に
より噴射燃料を加熱して燃料分子をラジカル化するよう
にしている。しかしながらこの圧縮着火式内燃機関にお
いても機関低負荷運転時以外は通常の圧縮着火式内燃機
関と同じ燃焼が行われるのでこのときには多量のすすお
よびＮＯ_x が発生することになる。

【０００６】このように従来の燃焼方法を用いている限
りすすやＮＯ_x の発生は回避することができず、従って
これらすすやＮＯ_x の発生を阻止するためには燃焼方法
を抜本的に変える必要がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、ほぼ圧縮上死点前６０度以前の圧
縮行程中又は吸気行程中において燃焼室内に燃料を噴射
すると共に、このときの噴射燃料の平均粒径を平均粒径
の燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後に
そのときの圧力により定まる主要燃料成分の沸点に達す
る粒径以上とし、噴射後ほぼ圧縮上死点に達するまでは
燃料粒子からの沸騰による燃料の蒸発を阻止すると共に
ほぼ圧縮上死点後に燃料粒子の燃料を沸騰蒸発させて燃
料を着火燃焼せしめるようにしている。

【０００８】更に本発明によれば上記問題点を解決する
ために上述の１番目の発明において、噴射燃料の平均粒
径がほぼ５００μｍ以上とされる。更に本発明によれば
上記問題点を解決するために上述の１番目の発明におい
て、燃料噴射開始時における燃料噴射率が最も高く、そ
の後燃料噴射が完了するまでの間、燃料噴射率が徐々に
低下せしめられる。

【０００９】更に本発明によれば上記問題点を解決する
ために、予め定められた平均粒径の燃料を燃焼室内に噴
射するための燃料噴射装置と、燃料噴射装置からの燃料
噴射時期を制御して燃料噴射装置からほぼ圧縮上死点前
６０度以前の圧縮行程中又は吸気行程中に燃料を噴射さ
せる噴射時期制御手段とを具備し、上述の予め定められ
た平均粒径は平均粒径の燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死
点又は圧縮上死点後にそのときの圧力により定まる主要
燃料成分の沸点に達する粒径以上とされる。

【００１０】更に本発明によれば上記問題点を解決する
ために上述の４番目の発明において、上述の予め定めら
れた平均粒径がほぼ５００μｍ以上とされる。更に本発
明によれば上記問題点を解決するために上述の４番目の
発明において、燃料噴射装置が燃焼室内に配置された燃
料噴射弁を具備し、燃料噴射弁がその内部に燃料貯留室
を有している。

【００１１】更に本発明によれば上記問題点を解決する
ために上述の４番目の発明において、燃料噴射装置が燃
焼室内に配置された燃料噴射弁を具備し、燃料噴射弁が
燃焼室内全体に薄膜状に広がる燃料を噴射する。更に本
発明によれば上記問題点を解決するために上述の４番目
の発明において、燃料噴射装置は燃料噴射圧を制御して
機関回転数が高くなるほど燃料噴射圧を増大せしめる。

【００１２】更に本発明によれば上記問題点を解決する
ために上述の４番目の発明において、噴射時期制御手段
は機関負荷が高くなるほど噴射時期を早める。

【００１３】

【作用】１番目の発明ではほぼ圧縮上死点前６０度以前
の圧縮行程中又は吸気行程中において燃焼室内に燃料を
噴射することによって噴射燃料が燃焼室内全体に分散さ
される。また、燃料噴射時における噴射燃料の平均粒径
を平均粒径の燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点又は圧縮
上死点後にそのときの圧力により定まる主要燃料成分の
沸点に達する粒径以上とすることによって噴射後ほぼ圧
縮上死点に達するまでは燃料粒子からの沸騰による燃料
の蒸発が阻止され、ほぼ圧縮上死点後に燃料粒子の燃料
が沸騰蒸発して燃料が着火燃焼せしめられる。

【００１４】２番目の発明では噴射燃料の平均粒径がほ
ぼ５００μｍ以上とされる。噴射燃料の平均粒径がほぼ
５００μｍ以上であると平均粒径の燃料粒子の温度がほ
ぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後においてそのときの圧力
により定まる主要燃料成分の沸点に達する。３番目の発
明では噴射開始後、燃料噴射率が徐々に低下する。燃料
噴射率が徐々に低下すると後から噴射された燃料が先に
噴射された燃料を追い抜くことがないので燃焼室内に均
一に燃料粒子が分散する。

【００１５】４番目の発明ではほぼ圧縮上死点前６０度
以前の圧縮行程中又は吸気行程中において燃焼室内に燃
料が噴射されるので噴射燃料が燃焼室内全体に分散ささ
れる。また、燃料噴射時における噴射燃料の平均粒径を
平均粒径の燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点又は圧縮上
死点後にそのときの圧力により定まる主要燃料成分の沸
点に達する粒径以上とすることによって噴射後ほぼ圧縮
上死点に達するまでは燃料粒子からの沸騰による燃料の
蒸発が阻止され、ほぼ圧縮上死点後に燃料粒子の燃料が
沸騰蒸発して燃料が着火燃焼せしめられる。

【００１６】５番目の発明では噴射燃料の平均粒径がほ
ぼ５００μｍ以上とされる。噴射燃料の平均粒径がほぼ
５００μｍ以上であると平均粒径の燃料粒子の温度がほ
ぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後においてそのときの圧力
により定まる主要燃料成分の沸点に達する。６番目の発
明では燃料噴射弁の内部に燃料貯留室を設けることによ
って燃料噴射時間が短かくなる。

【００１７】７番目の発明では噴射燃料を燃焼室内に薄
膜状に広げることによって噴射燃料が燃焼室内全体に分
散せしめられる。８番目の発明では機関回転数が高くな
るほど燃料噴射圧が増大せしめられる。９番目の発明で
は機関負荷が高くなるほど噴射時期が早められる。

【００１８】

【実施例】図１および図２は本発明を４ストローク圧縮
着火式内燃機関に適用した場合を示している。図１およ
び図２を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロ
ック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼
室、６は一対の吸気弁、７は一対の吸気ポート、８は一
対の排気弁、９は一対の排気ポート、１０は燃焼室５の
頂部中央部に配置された燃料噴射弁、１１は機関駆動の
噴射ポンプを夫々示す。各吸気ポート７はほぼまっすぐ
に延びるストレートポートからなり、従って図１および
図２に示す圧縮着火式内燃機関では吸気ポート７から燃
焼室５内に流入する空気流によって燃焼室５内にはスワ
ールが発生せしめられない。

【００１９】図３は噴射ポンプ１１の側面断面図を示
す。図３を参照すると、２０は噴射ポンプ本体、２１は
燃料供給ポンプを夫々示し、構造を容易に理解しうるよ
うに燃料供給ポンプ２１は９０度回転したところを示し
ている。燃料供給ポンプ２１は機関により駆動される駆
動軸２２上に取付けられたロータ２３を有し、燃料供給
口２４から吸込まれた燃料はロータ２３を経て燃料吐出
口２５から噴射ポンプ本体２０内の加圧燃料室２６内に
吐出される。駆動軸２２の内端部は加圧燃料室２６内に
突出しており、この駆動軸２２の内端部には歯車２７が
取付けられる。

【００２０】一方、燃料ポンプ本体２０内に形成された
シリンダ２８内にはプランジャ２９の一端部が挿入さ
れ、プランジャ２９の他端部は気筒数と同数のカム山３
０ａを形成したカムプレート３０に連結される。駆動軸
２２の内端部は回転力を伝達しうるカップリング３１を
介してカムプレート３０に連結され、カムプレート３０
は圧縮ばね３２のばね力によりローラ３３上に押圧され
る。駆動軸２２が回転してカムプレート３０のカム山３
０ａがローラ３３と係合するとプランジャ２９は軸方向
に移動する。従ってプランジャ２９は回転しつつ往復動
せしめられることになる。

【００２１】プランジャ２９の先端部には加圧室３４が
形成され、プランジャ２９内には加圧室３４内に連通す
る燃料吐出口３５と燃料溢流孔３６とが形成される。プ
ランジャ２９の周りには燃料吐出口３５と整列可能な気
筒数と同数の燃料吐出通路３７が等角度間隔で形成され
ており、各燃料吐出通路３７は逆止弁３８を介して夫々
対応する燃料噴射弁１０に連結される。一方、プランジ
ャ２９上には燃料溢流孔３６の開閉制御をするスピルリ
ング３９が挿入され、このスピルリング３９の位置はピ
ボットピン４０周りにおいて回動可能に支持されている
制御リンク機構４１により制御される。

【００２２】制御リンク機構４１の上端部は回動軸４２
に固定された偏心ピン４３に引張りばね４４を介して連
結され、回動軸４２はアクセルペダル１２（図１）に連
結されてアクセルペダル１２により回動せしめられる。
また、加圧燃料室２６内には歯車２７により回転せしめ
られて回転数が高くなるほど制御リンク機構４１を時計
回りに付勢するガバナ機構４５が設けられる。加圧燃料
室２６内の加圧燃料は燃料供給ポート２６ａから加圧室
３４内に供給され、加圧室３４内の燃料はプランジャ２
９が右方に移動するにつれて圧縮される。次いでプラン
ジャ２９に形成された燃料吐出口３５がいずれかの燃料
吐出通路３７に連通すると加圧室３４内の加圧燃料が逆
止弁３８を介して対応する燃料噴射弁１０に供給され
る。

【００２３】次いでプランジャ２９が更に右方に移動
し、燃料溢流孔３６が加圧燃料室２６内に開口すると燃
料噴射弁１０への燃料の供給が停止される。燃料溢流孔
３６が加圧燃料室２６内に開口する時期はスピルバルブ
３９の位置によって変化し、従ってスピルバルブ３９の
位置によって燃料噴射弁１０に供給される燃料量が制御
される。このスピルバルブ３９の位置は制御リンク機構
４１とガバナ機構４５によってアクセルペダル１２（図
１）の踏込み量が増大するほど燃料噴射弁１０への供給
燃料量が増大し、機関回転数が高くなるほど燃料噴射弁
１０への供給燃料量が減少するように制御される。

【００２４】図３に示されるように燃料ポンプ本体１１
には噴射圧制御弁４６が取付けられる。この噴射圧制御
弁４６は加圧室３４内に連通する燃料溢流ポート４７
と、この燃料溢流ポート４７を通常圧縮ばね４８のばね
力により閉鎖している弁体４９と、弁体４９の背圧室５
０とを具備し、背圧室５０は導管５１を介して加圧燃料
室２６に連結される。プランジャ２９により加圧室３４
内の燃料が圧縮されたときに加圧室３４内の燃料圧が弁
体４９の開弁圧よりも高くなると加圧室３４内の燃料は
燃料溢流ポート４７を介して溢流し、次いでこの溢流し
た燃料は導管５２を介して加圧燃料室２６内に返戻され
る。従って加圧室３４内の最大燃料圧は弁体４９の開弁
圧によって定まり、燃料噴射弁１０に供給される燃料の
最大圧も弁体４９の開弁圧によって定まることになる。

【００２５】ところで機関回転数が高くなるほど燃料供
給ポンプ２１の吐出量が増大するので機関回転数が高く
なるほど加圧燃料室２６内の燃料圧が高くなる。加圧燃
料室２６内の燃料圧が上昇するとそれに伴なって背圧室
５０内の燃料圧が上昇するので機関回転数が高くなるほ
ど弁体４９の開弁圧が高くなり、斯くして機関回転数が
高くなるほど燃料噴射弁１０に供給される燃料の最大圧
が増大せしめられる。

【００２６】なお、上述の噴射ポンプ１１は従来の分配
型燃料噴射ポンプに改良を加えたものであり、スピルリ
ング３９やガバナ機構４５等による燃料の調量機構を具
えている。しかしながら後述するように本発明による実
施例では燃料噴射弁１０がその内部に燃料を蓄えるため
の燃料貯留室を有する型式の燃料噴射弁からなり、燃料
噴射弁１０の開弁時間、又は開弁時間と燃料噴射圧を制
御することにより燃料噴射量を制御するようにしている
ので、スピルリング３９やガバナ機構４５等を有さずに
噴射圧制御弁４６のような燃料調圧手段のみを具えた噴
射ポンプを使用することもできる。

【００２７】図４は燃料噴射弁１０の側面断面図を示し
ている。図４を参照すると、６１は噴射弁本体６０内に
おいて摺動可能なニードル、６２はニードル６１の先端
部に一体形成された弁体、６３はニードル６１の上端部
に取付けられたスプリングリテーナ、６４はスプリング
リテーナ６３を上方に向けて付勢する圧縮ばね、６５は
ニードル６１と整列配置されたロッド、６６は最大噴射
量時における燃料噴射量の数十倍の容積を有する燃料貯
留室、６７は噴射弁本体６０内において摺動可能に配置
されたピストン、６８はピストン６７を駆動するための
ピエゾ圧電素子、６９はピストン６７をピエゾ圧電素子
６８に向けて付勢する皿ばね、７０はピストン６７の頂
面により画定された可変容積室、７１は燃料供給口を夫
々示す。

【００２８】燃料供給口７１は噴射ポンプ１１の対応す
る燃料吐出通路３７（図３）に連結され、斯くして噴射
ポンプ１１から吐出された燃料が燃料供給口７１に供給
される。燃料供給口７１に供給された燃料は燃料供給口
７１から燃料貯留室６６に向けてのみ流通可能な逆止弁
７２を介して燃料貯留室６６に供給される。燃料貯留室
６６内に供給された燃料は一方では燃料通路７３を介し
てニードル６１の先端部周りに導びかれ、他方では燃料
貯留室６６から可変容積室７０に向けてのみ流通可能な
逆止弁７４を介して可変容積室７０に供給される。可変
容積室７０内に供給された燃料はロッド６５の頂面７５
に導びかれ、従って可変容積室７０内の燃料圧がロッド
６５の頂面７５に作用することになる。

【００２９】図５はニードル６１の先端部を示してい
る。図５に示されるようにニードル６１の弁体６２は円
錐状の噴射燃料案内面６２ａを有し、この噴射燃料案内
面６２ａは通常圧縮ばね６４（図４）のばね力によりシ
ート面７６上に着座している。このとき燃料噴射弁１０
からの燃料噴射は停止せしめられている。燃料噴射弁１
０から燃料を噴射すべきときにはピエゾ圧電素子６８に
電荷がチャージされる。ピエゾ圧電素子６８に電荷がチ
ャージされるとピエゾ圧電素子６８が軸方向に伸長する
ためにピストン６７が下降せしめられる。ピストン６７
が下降せしめられると可変容積室７０内の燃料室が上昇
し、斯くしてロッド６５が押し下げられるためにニード
ル６１が下降して弁体６２がシート面７６から離れる。
その結果、燃料貯留室６６内の燃料が弁体６１とシート
面７６間から噴射される。

【００３０】次いでピエゾ圧電素子６８にチャージされ
ている電荷がディスチャージされるとピエゾ圧電素子６
８は軸方向に収縮し、ピストン６７が上昇する。その結
果、可変容積室７０内の燃料圧が低下するためにロッド
６５およびニードル６１が圧縮ばね６４のばね力により
上昇し、弁体６２の噴射燃料案内面６２ａが再びシート
面７６上に着座する。斯くして燃料の噴射作用が停止せ
しめられる。

【００３１】図５に示されるように燃料噴射時には噴射
燃料Ｆは弁体６２の噴射燃料案内面６２ａにより案内さ
れてニードル６１の先端から、即ち燃料噴射弁１０のノ
ズル口から薄膜円錐状に広げられる。図１に示される実
施例では燃料噴射弁１０は燃焼室５の頂部中央部に配置
されており、従って図１に示される実施例では燃料Ｆは
燃焼室５の頂部中央部から燃焼室５の周辺部に向けて薄
膜円錐状に広がるように噴射される。

【００３２】図６に燃料噴射弁１０の別の実施例を示
す。この実施例では図５とは逆にニードル６１′が上昇
したときに燃料噴射が行われるように形成されている。
このような形式の燃料噴射弁１０を用いた場合には噴射
燃料Ｆを薄膜円錐状に広げるためのガイド部材７７がニ
ードル６１′の先端部に取付けられる。燃料噴射弁１０
のピエゾ圧電素子６８は図１に示す電子制御ユニット８
０の出力信号に基いて制御される。この電子制御ユニッ
ト８０はディジタルコンピュータからなり、双方向性バ
ス８１を介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリ
メモリ）８２，ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８
３，ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８
５および出力ポート８６を具備する。アクセルペダル１
２にはアクセルペダル１２の踏込み量に比例した出力電
圧を発生する負荷センサ９０が取付けられ、この出力電
圧はＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力され
る。また、入力ポート８５には機関が一定クランク角度
回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ９
１が接続され、このクランク角センサ９１の出力パルス
から現在のクランク角と機関回転数とが算出される。一
方、出力ポート８６は駆動回路８８を介して燃料噴射弁
１０のピエゾ圧電素子６８に接続される。

【００３３】次に図７から図１０を参照しつつすすおよ
びＮＯ_x の発生量を実質的に零にしうる画期的な新たな
燃焼方法について説明する。なお、この新たな燃焼方法
については最もすすおよびＮＯ_x が発生しやすい高負荷
運転時に焦点をあてて説明する。従来のように燃料粒子
の平均粒径が５０μｍ以下となるように燃料を微粒化し
て噴射するようにしている限り噴射時期をいかに設定し
ようとも燃料噴射圧をいかに設定しようともすすとＮＯ
_x の同時低減を図ることは困難であり、ましてやすすお
よびＮＯ_x の発生量を実質的に零にすることは不可能で
ある。これは従来の燃焼方法に本質的な問題があるから
である。即ち、従来の燃焼方法においてすすおよびＮＯ
_x の同時低減が困難である大きな要因は二つあると考え
られる。その一つは燃料が噴射されるや否や一部の燃料
がただちに気化し、この気化した燃料により早期に急激
な燃焼が開始されることである。他の一つは燃料を燃焼
室内全体に均一に分散させようとしても実際には燃料が
燃焼室内全体に均一に分散せず、燃料が燃焼室内の限ら
れた領域内に集まってしまうか、或いは燃料が燃焼室内
のほぼ全体に分散しても過濃領域と稀薄領域とが混在し
てしまうことにある。

【００３４】即ち、上述したように噴射開始後早期に燃
焼が開始されると後続する噴射燃料が燃焼火炎内に飛び
込むためにこれらの噴射燃料は空気不足の状態で燃焼せ
しめられることになり、斯くしてすすが発生することに
なる。また、燃焼室内に過濃混合気が形成されるとこの
過濃混合気の燃焼によってもすすが発生することにな
る。一方、噴射燃料が燃焼室内の限られた領域内に集ま
り、この集まった燃料が燃焼せしめられるとこの領域内
の燃焼温度は燃料が燃焼室内に分散している場合の燃焼
温度よりも高くなり、斯くしてＮＯ_x が発生することに
なる。また噴射燃料が早期に急激に燃焼して燃焼圧が急
激に上昇すると燃焼温度が更に高くなり、斯くして更に
ＮＯ_x が発生することになる。

【００３５】そこで本発明者は上述の二つの要因を取除
けば、即ち噴射燃料が噴射後早期に気化するのを阻止
し、噴射燃料を燃焼室内に均一に分散させればすすとＮ
Ｏ_x の同時低減が可能になると考えたのである。そして
実験を重ねた結果、噴射燃料の平均粒径を従来の燃焼方
法において使用されている平均粒径よりも大巾に大きく
し、かつ噴射時期を従来の燃焼方法において通常使用さ
れている噴射時期よりもかなり早めるとすすおよびＮＯ
_x の発生量を実質的に零まで低減できることを見い出し
たのである。次にこのことについて説明する。

【００３６】図７の曲線はピストン４の圧縮作用のみに
よる燃焼室５内の圧力Ｐの変化を示している。図７から
わかるように燃焼室５内の圧力Ｐはほぼ圧縮上死点前Ｂ
ＴＤＣ６０度を越えると急速に上昇する。これは吸気弁
６の開弁時期とは無関係であっていかなる往復動式内燃
機関であっても燃焼室５内の圧力Ｐは図７に示されるよ
うに変化する。

【００３７】図８の実線で示す曲線は各クランク角にお
ける燃料の沸騰温度、即ち沸点Ｔを示している。燃焼室
５内の圧力Ｐが上昇すれば燃料の沸点Ｔもそれに伴なっ
て上昇するので燃料の沸点Ｔもほぼ圧縮上死点前ＢＴＤ
Ｃ６０度を越えると急速に上昇する。一方図８において
破線は圧縮上死点前ＢＴＤＣθ₀ 度において燃料が噴射
されたときの燃料粒子の径の差による燃料粒子の温度変
化の差異を示している。噴射直後の燃料粒子の温度はそ
のときの圧力により定まる沸点Ｔよりも低く、次いで燃
料粒子は周囲から熱を受けて温度上昇する。このときの
燃料粒子の温度上昇速度は粒径が小さいほど速くなる。

【００３８】即ち、燃料粒子の粒径が２０μｍから５０
μｍ程度であったとすると燃料粒子の温度は噴射後急速
に上昇して圧縮上死点ＴＤＣよりもはるか前のクランク
角において沸点Ｔに達し、燃料粒子からの沸騰による急
激な燃料の蒸発作用が開始される。また、図８からわか
るように燃料粒子の粒径が２００μｍの場合でも燃料粒
子の温度は圧縮上死点ＴＤＣに達する前に沸点Ｔに達
し、沸騰による急激な燃料の蒸発作用が開始される。こ
のように圧縮上死点ＴＤＣに達する前に沸騰による急激
な燃料の蒸発作用が開始されるとこのとき蒸発した燃料
による爆発的な燃焼が生じ、斯くして前述したように多
量のすすおよびＮＯ_x が発生することになる。

【００３９】これに対して燃料粒子の径が５００μｍ程
度よりも大きくなると燃料粒子の温度の上昇速度が遅く
なるためにほぼ圧縮上死点ＴＤＣ或いはそれ以後になら
ないと燃料粒子の温度が沸点Ｔに達しない。従って燃料
粒子の径を５００μｍ程度よりも大きくすればほぼ圧縮
上死点ＴＤＣに達する前に沸騰による急激な燃料の蒸発
作用は行われず、ほぼ圧縮上死点ＴＤＣ或いは圧縮上死
点ＴＤＣ後に沸騰による急激な燃料の蒸発作用が開始さ
れることになる。

【００４０】なお、実際には燃料は沸点の異なる種々の
成分を含んでおり、燃料の沸点というと多数の沸点が存
在することになる。従って燃料の沸点を考える場合には
主要燃料成分の沸点を考えることが好ましいと云える。
また、噴射燃料の粒径は完全に均一になることはあり得
ないので噴射燃料の粒径を考える場合には噴射燃料の平
均粒径で考えることが好ましいと云える。このように考
えると噴射燃料平均粒径を平均粒径の燃料粒子の温度が
ほぼ圧縮上死点ＴＤＣ又は圧縮上死点ＴＤＣ後にそのと
きの圧力のより定まる主要燃料成分の沸点Ｔに達する粒
径以上とすれば噴射後ほぼ圧縮上死点ＴＤＣに達するま
では燃料粒子からの沸騰による急激な燃料の蒸発は生じ
ず、ほぼ圧縮上死点ＴＤＣ後に燃料粒子からの沸騰によ
る急激な蒸発を生じることになる。

【００４１】なお、この場合には全燃料粒子においてほ
ぼ同時に沸騰による急激な燃料の蒸発作用が開始され、
全燃料粒子から蒸発した燃料がいっせいに着火し燃焼を
開始する。このとき図９（Ａ）に示されるように燃料粒
子が燃焼室５内の一部に集まっていると各燃料粒子の周
りの空気量が不十分であるために各燃料粒子は空気不足
の状態で燃焼せしめられることになり、斯くしてすすが
発生することになる。このようにすすが発生するのを阻
止するためには燃料が着火するときに各燃料粒子の周り
に十分な空気が存在するように各燃料粒子同志が互いに
十分な間隔を隔てつつ図９（Ｂ）に示されるように各燃
料粒子が燃焼室５内全体に亘って分散していることが好
ましい。

【００４２】図９（Ｂ）に示されるように着火時に燃料
粒子が燃焼室５内全体に分散するためには燃焼室５内の
圧力Ｐが低いときに燃料噴射弁１０から燃料を噴射させ
なければならない。即ち、燃焼室５内の圧力Ｐが高くな
ると空気抵抗が大きくなるために噴射燃料の飛行距離が
短かくなり、斯くしてこのときには図９（Ａ）に示され
るように燃料粒子が燃焼室５内全体に広がることができ
ない。前述したように燃焼室５内の圧力Ｐはほぼ圧縮上
死点前ＢＴＤＣ６０度を越えると急速に上昇して高くな
り、事実ほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ６０度を越えた後に
燃料噴射を行うと図９（Ａ）に示されるように燃料粒子
が燃焼室５内に十分に広がらない。これに対してほぼ圧
縮上死点前ＢＴＤＣ６０度以前は燃焼室５内の圧力Ｐは
低く、従ってほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ６０度以前に燃
料噴射が行われると着火時に図９（Ｂ）に示されるよう
に燃料粒子が燃焼室５内の全体に亘って分散することに
なる。このことは実験により確かめられている。なお、
この場合、燃料の噴射時期はほぼ圧縮上死点ＴＤＣ前Ｂ
ＴＤＣ６０度以前であれば圧縮行程時であっも吸気行程
時であってもよい。

【００４３】このようにほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ６０
度以前に燃料を噴射し、このときの噴射燃料の平均粒径
を平均粒径の燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点ＴＤＣ又
は圧縮上死点ＴＤＣ後にそのときの圧力により定まる主
要燃料成分の沸点Ｔに達する粒径以上とすれば噴射後ほ
ぼ圧縮上死点ＴＤＣに達するまでは燃料粒子からの沸騰
による急激な燃料の蒸発は生じず、ほぼ圧縮上死点ＴＤ
Ｃ後に燃料粒子からの沸騰による急激な燃料の蒸発が開
始され、このとき各燃料粒子は図９（Ｂ）に示されるよ
うに燃焼室５内全体に分散することになる。

【００４４】各燃料粒子からの燃料の蒸発が開始される
と各燃料粒子から蒸発した燃料はいっせいに着火燃焼せ
しめられる。このとき各燃料粒子の周りには十分な空気
が存在するのですすが発生することがなく、また燃焼室
５内全体で燃焼が行われるので燃焼温度が低くなり、斯
くしてＮＯ_x が発生することもない。また、各燃料粒子
が燃焼開始に時間差を生ずると先に燃焼した燃料の燃焼
熱によって後から燃焼する燃料の燃焼ガスが加熱される
ために燃焼ガス温が高くなってＮＯ_x が発生してしま
う。しかしながら上述したように各燃料粒子から蒸発し
た燃料はほぼ同時に燃焼が開始されるのでこの意味から
もＮＯ_x が発生することがない。

【００４５】図１０は圧縮比を１８とし、燃料噴射圧を
２０MPa とし、機関回転数を１０００r.p.m.とし、燃料
噴射量を１５mm³ として噴射時期を変えた場合のすす、
即ち、スモークの発生量とＮＯ_x の発生量の実験結果を
示している。燃料噴射時期をほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ
６０度以前に設定すると驚くべきことにスモークおよび
ＮＯ_x が全く発生しないことがわかる。

【００４６】以上の説明からわかるように本発明者によ
り確立された新たな燃焼方法は、ほぼ圧縮上死点ＴＤＣ
前６０度以前に燃料噴射を開始し、このときの噴射燃料
の平均粒径を平均粒径の燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死
点ＴＤＣ又は圧縮上死点ＴＤＣ後にそのときの圧力によ
り定まる主要燃料成分の沸点Ｔに達する粒径以上とする
ことにある。そしてこの新たな燃焼方法を用いるとすす
およびＮＯ_x の発生量を実質的に零とすることができ
る。

【００４７】この新たな燃焼方法を実行するに当って重
要な点は比較的大きな粒径の燃料を燃料粒子同志の間隔
を隔だてつつ燃焼室５内全体に分散させることであり、
従ってハードの面からみると新たな燃焼方法を実行する
上で燃料噴射装置、特に燃料噴射弁１０が重要な役割を
果すことになる。図４はこのような新たな燃焼方法を実
行するのに適した燃料噴射弁１０の一例を示している。
一方、図１１は燃料噴射制御のタイムチャートを示して
おり、従って次に図１１を参照しつつ燃料噴射弁１０に
よる燃料噴霧の形成方法について説明する。

【００４８】前述したようにピエゾ圧電素子６８の駆動
信号が発生してピエゾ圧電素子６８に電荷がチャージさ
れると燃料噴射が開始される。図１１に示されるように
本発明による実施例では噴射時期の例えば１８０度以前
に噴射ポンプ１１から吐出された加圧燃料が燃料噴射弁
１０の燃料貯留室６６内に供給される。その結果、燃料
貯留室６６内の燃料圧が上昇せしめられる。このときの
燃料貯留室６６内の燃料圧は２０MPa 程度である。次い
で圧縮上死点前ＢＴＤＣ６０度の少し手前になるとピエ
ゾ圧電素子６８の駆動信号が発せられ、それによってピ
エゾ圧電素子６８に電荷がチャージされる。ピエゾ圧電
素子６８に電荷がチャージされるとニードル６１が下降
して燃料貯留室６６内の燃料が燃焼室５内に噴出され
る。

【００４９】燃料貯留室６６内の燃料圧は２０MPa 程度
であってかなり低圧であり、一方ニードル６１のリフト
量は一般的な燃料噴射弁よりも大きく設定されている。
従ってニードル６１が下降すると燃料噴射弁１０の先端
からは粒径の大きな燃料が一気に噴射される。このとき
には燃焼室５内の圧力は低く、従って噴射燃料は燃焼室
５の周辺部まで良好に飛散する。燃料噴射が開始される
と図１１に示されるように燃料貯留室６６内の圧力が低
下し、斯くして燃料噴射率は噴射開始時に最も高くな
り、次いで徐々に減少する。燃料貯留室６６内の圧力が
低下すると燃料噴射弁１０の先端部からの燃料の噴出速
度が低下する。従って後から噴射された燃料が先に噴射
された燃料を追い抜くことがなく、斯くして燃料粒子が
燃焼室５内に均一に分散されることになる。次いで図１
１に示されるように圧縮上死点前ＢＴＤＣ６０度に達す
る前に燃料噴射が完了せしめられる。

【００５０】前述したように噴射ポンプ１１に取付けら
れた噴射圧制御弁４６の弁体４９の開弁圧は機関回転数
が高くなるにつれて高くなり、従って燃料ポンプ１１か
ら吐出された燃料が燃料貯留室６６内に供給されたとき
の燃料貯留室６６内の燃料圧は図１２（Ａ）に示される
ように機関回転数Ｎが高くなるほど高くなる。即ち、噴
射燃料が燃焼室５の周辺部まで広がるには時間を要し、
一方噴射が行われてから着火するまでの時間は機関回転
数Ｎが高くなるほど短かくなる。そこで機関回転数Ｎが
高くなるほど燃料貯留室６６内の燃料圧を高くして機関
回転数Ｎが高くなるほど噴射燃料が燃焼室５内に速く広
がるようにし、それによって着火時には機関回転数Ｎに
かかわらずに燃料粒子が図９（Ｂ）に示されるように燃
焼室５内に均一に広がるようにしている。なお、この場
合燃料噴射圧を制御する代りに機関回転数Ｎが高くなる
につれて噴射開始時期を早めるようにしてもよい。

【００５１】また、本発明による実施例では図１２
（Ｂ）に示されるように燃料噴射開始時期θＳはアクセ
ルペダル１２の踏込み量Ｌが増大するほど、即ち機関負
荷が高くなるほど早められる。また、噴射期間θＴはア
クセルペダル１２の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数と
して図１２（Ｃ）に示すマップの形で予めＲＯＭ８２内
に記憶されている。

【００５２】燃料噴射弁１０からの燃料噴射制御は図１
３に示すルーチンにより実行される。なお、このルーチ
ンは一定クランク角毎の割込みによって実行される。図
１３を参照するとまず初めにステップ１００において図
１２（Ｂ）に示す関係から噴射開始時期θＳが算出され
る。次いでステップ１０１では図１２（Ｃ）に示す関係
から噴射期間θＴが算出される。次いでステップ１０２
では噴射開始時期θＳと噴射期間θＴから噴射完了時期
θＥが算出される。次いでステップ１０３では噴射開始
時期θＳにピエゾ圧電素子６８に電荷をチャージし、噴
射完了時期θＥにピエゾ圧電素子６８から電荷をディス
チャージするピエゾ圧電素子６８の駆動信号が発生せし
められる。図１４から図１７に別の実施例を示す。な
お、この実施例において図１から図５に示す実施例と同
様な構成要素は同一の符号で示す。

【００５３】図１４および図１５に示されるようにこの
実施例では一個の吸気弁６と一個の排気弁８が設けら
れ、燃焼室５の周辺部に燃料噴射弁１０が配置される。
一方、この実施例では図１６および図１７に示されるよ
うに燃料噴射弁１０のノズル口７８はセクター形断面の
スリットからなり、ニードル６１″が上昇せしめられる
と燃料Ｆが燃焼室５内の全体に亘って薄膜セクター状に
噴射せしめられる。

【００５４】なお、これまで本発明を４ストローク機関
に適用した場合について説明してきたが本発明を２スト
ローク機関に適用することもできる。この場合にも燃料
噴射はほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ６０度以前の圧縮行程
時又は新気が流入している吸気行程時、即ち掃気行程時
に行われる。

【００５５】

【発明の効果】すすおよびＮＯ_x の発生量をほぼ零にす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧縮着火式内燃機関の側面断面図である。

【図２】図１のシリンダヘッドの底面図である。

【図３】噴射ポンプの側面断面図である。

【図４】燃料噴射弁の側面断面図である。

【図５】燃料噴射弁の先端部の拡大側面断面図である。

【図６】別の実施例を示す燃料噴射弁の先端部の拡大側
面断面図である。

【図７】ピストンの圧縮作用のみによる燃焼室内の圧力
変化を示す図である。

【図８】沸点と燃料粒子の温度変化とを示す図である。

【図９】燃料粒子の分布を示す図である。

【図１０】スモーク及びＮＯ_x の発生量を示す図であ
る。

【図１１】燃料噴射制御のタイムチャートである。

【図１２】燃料貯留室内の燃料圧等を示す図である。

【図１３】噴射制御を行うためのフローチャートであ
る。

【図１４】圧縮着火式内燃機関の別の実施例の側面断面
図である。

【図１５】図１４のシリンダヘッドの底面図である。

【図１６】図１４の燃料噴射弁の先端部の側面断面図で
ある。

【図１７】図１６のXVII−XVII線に沿ってみた断面図で
ある。

【符号の説明】

５…燃焼室 ６…吸気弁 ８…排気弁 １０…燃料噴射弁 ６６…燃料貯留室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｍ 61/18 ３６０ Ｊ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ほぼ圧縮上死点前６０度以前の圧縮行程
   中又は吸気行程中において燃焼室内に燃料を噴射すると
   共に、このときの噴射燃料の平均粒径を平均粒径の燃料
   粒子の温度がほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後にそのと
   きの圧力により定まる主要燃料成分の沸点に達する粒径
   以上とし、噴射後ほぼ圧縮上死点に達するまでは燃料粒
   子からの沸騰による燃料の蒸発を阻止すると共にほぼ圧
   縮上死点後に燃料粒子の燃料を沸騰蒸発させて燃料を着
   火燃焼せしめるようにした圧縮着火式内燃機関の燃焼方
   法。
2. 【請求項２】 上記噴射燃料の平均粒径がほぼ５００μ
   ｍ以上である請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の燃
   焼方法。
3. 【請求項３】 燃料噴射開始時における燃料噴射率が最
   も高く、その後燃料噴射が完了するまでの間、燃料噴射
   率が徐々に低下する請求項１に記載の圧縮着火式内燃機
   関の燃焼方法。
4. 【請求項４】 予め定められた平均粒径の燃料を燃焼室
   内に噴射するための燃料噴射装置と、該燃料噴射装置か
   らの燃料噴射時期を制御して該燃料噴射装置からほぼ圧
   縮上死点前６０度以前の圧縮行程中又は吸気行程中に燃
   料を噴射させる噴射時期制御手段とを具備し、上記予め
   定められた平均粒径は平均粒径の燃料粒子の温度がほぼ
   圧縮上死点又は圧縮上死点後にそのときの圧力により定
   まる主要燃料成分の沸点に達する粒径以上である圧縮着
   火式内燃機関。
5. 【請求項５】 上記予め定められた平均粒径がほぼ５０
   ０μｍ以上である請求項４に記載の圧縮着火式内燃機
   関。
6. 【請求項６】 上記燃料噴射装置が燃焼室内に配置され
   た燃料噴射弁を具備し、該燃料噴射弁がその内部に燃料
   貯留室を有している請求項４に記載の圧縮着火式内燃機
   関。
7. 【請求項７】 上記燃料噴射装置が燃焼室内に配置され
   た燃料噴射弁を具備し、該燃料噴射弁が燃焼室内全体に
   薄膜状に広がる燃料を噴射する請求項４に記載の圧縮着
   火式内燃機関。
8. 【請求項８】 上記燃料噴射装置は燃料噴射圧を制御し
   て機関回転数が高くなるほど燃料噴射圧を増大せしめる
   請求項４に記載の圧縮着火式内燃機関。
9. 【請求項９】 上記噴射時期制御手段は機関負荷が高く
   なるほど噴射時期を早める請求項４に記載の圧縮着火式
   内燃機関。