(57)【要約】【課題】圧縮自着火式の内燃機関において、幅広い運転領域においてスモークの発生を抑制することのできる内燃機関を提供する。【解決手段】圧縮自着火式の内燃機関は、入口及び出口が燃焼室に露出した中空のダクトが装着された１又は複数のダクト装着気筒と、ダクトが装着されていない１又は複数のダクト非装着気筒と、ダクト装着気筒及びダクト非装着気筒の燃焼を制御する制御装置と、を備えている。ダクトは、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が入口から出口へ通過するように設けられている。そして、制御装置は、内燃機関の低負荷運転領域では、ダクト装着気筒のみ燃焼を行わせる運転を行い、低負荷運転領域よりも高負荷な高負荷運転領域では、少なくともダクト非装着気筒の燃焼を行わせる運転を行うように構成されている。【選択図】図１
2020112120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮自着火式の内燃機関において、
入口及び出口が燃焼室に露出した中空のダクトが装着された１又は複数のダクト装着気筒と、
前記ダクトが装着されていない１又は複数のダクト非装着気筒と、
前記ダクト装着気筒及び前記ダクト非装着気筒の燃焼を制御する制御装置と、を備え、
前記ダクトは、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が前記入口から前記出口へ通過するように設けられ、
前記制御装置は、前記内燃機関の低負荷運転領域では、前記ダクト装着気筒のみ燃焼を行わせる運転を行い、前記低負荷運転領域よりも高負荷な高負荷運転領域では、少なくとも前記ダクト非装着気筒の燃焼を行わせる運転を行うように構成されていることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、圧縮された燃焼室に燃料を直接噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料と充填空気との燃焼室での予混合を促進するための技術が開示されている。この技術では、燃焼室に露出する燃料噴射装置の先端部の開口部に近接して、中空管で構成されたダクトが設けられている。開口部から噴射された燃料は、このダクトを通して燃焼室へと噴射される。ダクトの内部では、燃料と充填空気とが混合された後にダクトの出口から噴射される。これにより、燃焼室において過濃な燃料の分布が低減されるので、スモークの発生が低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１７−５３０２９８号公報
【特許文献２】特開２００５−２８２４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の従来の技術では、ダクトの出口から噴射された燃料噴霧が着火する前に燃焼室の壁面に衝突してしまうおそれがある。この場合、スモークの低減効果が得られないという課題がある。このことは、特に燃焼室のボア径が小さい内燃機関において、噴射速度の速い高負荷運転時に顕著となる。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、圧縮自着火式の内燃機関において、幅広い運転領域においてスモークの発生を抑制することのできる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の目的を達成するため、圧縮自着火式の内燃機関に適用される。内燃機関は、入口及び出口が燃焼室に露出した中空のダクトが装着された１又は複数のダクト装着気筒と、ダクトが装着されていない１又は複数のダクト非装着気筒と、ダクト装着気筒及びダクト非装着気筒の燃焼を制御する制御装置と、を備えている。ダクトは、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が入口から出口へ通過するように設けられている。そして、制御装置は、内燃機関の低負荷運転領域では、ダクト装着気筒のみ燃焼を行わせる運転を行い、低負荷運転領域よりも高負荷な高負荷運転領域では、少なくともダクト非装着気筒の燃焼を行わせる運転を行うように構成されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、低負荷運転時は、ダクトが装着されたダクト装着気筒でのみ燃焼が行われる。低負荷運転時は、ダクトへの燃料導入が少量となる。このため、ダクト内での燃料噴霧への空気導入が促進されるので、スモーク低減への高い効果が得られる。一方、内燃機関の高負荷運転時は、少なくともダクトが装着されていないダクト非装着気筒での燃焼が行われる。高負荷運転時は、燃料量が低負荷運転時よりも多量であるため、噴射速度も低負荷運転時よりも速くなる。このため、少なくともダクト非装着気筒での燃焼を行うことにより、噴射燃料への空気導入を促進することができるので、スモーク低減への高い効果が得られる。このように、本発明によれば、幅広い運転領域においてスモークを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る内燃機関を、気筒中心軸線を含む平面で切断してその内部構造を側面側から模式的に透視した図である。
【図２】実施の形態１に係る内燃機関のうちのダクト装着気筒の内部構造を側面側から模式的に透視した図である。
【図３】ダクト装着気筒によるスモーク低減効果と運転条件との関係を示す図である。
【図４】燃料の噴射速度に対する単位時間当たりの燃料噴霧への空気導入量（エントレイン量）を示す図である。
【図５】燃料の噴射速度に対する燃焼室壁面に衝突するまでの時間を示す図である。
【図６】燃料の噴射速度に対する総エントレイン量の示す図である。
【図７】実施の形態１に係るエンジンの運転条件と燃焼形態との関係を示す図である。
【図８】燃料噴射量に対するスモーク量を説明するための図である。
【図９】実施の形態２に係るエンジンの運転条件と燃焼形態との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１０】
実施の形態１．
実施の形態１について図を参照して説明する。
【００１１】
１−１．実施の形態１の構成
図１は、実施の形態１に係る内燃機関を、気筒中心軸線を含む平面で切断してその内部構造を側面側から模式的に透視した図である。実施の形態１の内燃機関２は、複数気筒（図では４気筒）を備えた圧縮自着火式の内燃機関（以下、単に「エンジン」とも称する）である。
【００１２】
実施の形態１のエンジン２は、その特徴的な構成として、一部の気筒にダクト２０を備えている。図１に示す例では、＃１気筒及び＃４気筒にダクト２０が装着され、＃２気筒及び＃３気筒にはダクト２０が装着されていない。以下の説明では、ダクト２０が装着された気筒＃１及び＃４を「ダクト装着気筒」と表記し、ダクト２０が装着されていない気筒＃２及び＃３を「ダクト非装着気筒」と表記する。
【００１３】
図２は、実施の形態１に係る内燃機関のうちのダクト装着気筒の内部構造を側面側から模式的に透視した図である。なお、ダクト非装着気筒は、ダクト２０の装着有無を除き、図２に示すダクト装着気筒と同様の構成を有している。
【００１４】
図２に示すように、エンジン２は、シリンダヘッド４とシリンダブロック６とを備えている。シリンダブロック６にはシリンダボア６２が形成されている。図示しないピストンは、シリンダボア６２の内部に配置されている。シリンダヘッド４、シリンダボア６２及びピストンの頂面で囲まれた空間には、燃焼室８が形成されている。
【００１５】
燃焼室８を形成するシリンダヘッド４の天面部４２には、図示しない吸気バルブ及び排気バルブが、それぞれ２つずつ配置されている。天面部４２の中央には、燃料噴射ノズル１６が配置されている。より詳しくは、天面部４２の中央には、気筒中心軸線Ｌ１を中心軸として、燃料噴射ノズル１６を固定するための取付穴４６が貫通している。燃料噴射ノズル１６は、先端に設けられた噴孔１８が燃焼室８内へ露出するように取付穴４６に固定される。
【００１６】
燃料噴射ノズル１６は、燃焼室８内に直接燃料を噴射するためのものである。実施の形態１の燃料噴射ノズル１６には、シリンダボア６２に向かって均等に放射状に噴射される８つの噴孔１８が設けられている。
【００１７】
実施の形態１のエンジン２は、その特徴的な構成として、ダクト２０が装着されたダクト装着気筒を備えている。ダクト２０は、筒状に凹んだ凹部４４の側面に設けられた入口２０２から天面部４２に設けられた出口２０４に向かってシリンダヘッド４の内部を貫通する直線の中空管によって構成されている。また、ダクト２０は、中空管の中心軸線が噴孔軸線Ｌ２と一致する位置になるように構成されている。実施の形態１のエンジン２では、８つの噴孔１８の噴孔軸線Ｌ２に対してそれぞれダクト２０が設けられている。
【００１８】
再び図１に戻り、エンジン２は、制御装置１００によって制御される。制御装置１００はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。ＥＣＵ１００の処理回路は、少なくとも入出力インタフェースと少なくとも１つのメモリと少なくとも１つのＣＰＵ（プロセッサ）とを備えている。入出力インタフェースは、エンジンに取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、エンジン２が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。ＥＣＵ１００が信号を取り込むセンサには、吸気通路に取り込まれた新気の流量を計測するためのエアフローメータ、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ等、エンジンの制御に必要な各種のセンサが含まれる。ＥＣＵ１００が操作信号を出すアクチュエータには、上述した燃料噴射ノズル１６等の各種アクチュエータが含まれる。メモリには、エンジン２を制御するための各種の制御プログラム、マップ等が記憶されている。ＣＰＵ（プロセッサ）は、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。
【００１９】
実施の形態１のエンジン２は、一部の気筒の燃焼のみを行うことが可能な可変気筒エンジンとして構成されている。具体的には、ＥＣＵ１００は、ダクト装着気筒の燃焼のみを行う減筒運転と、ダクト非装着気筒の燃焼のみを行う減筒運転又は全気筒の燃焼を行う全気筒運転と、を切り替えることが可能に構成されている。
【００２０】
１−２．実施の形態１の動作
１−２−１．ダクト装着気筒での基本的動作
ダクト装着気筒では、燃料噴射ノズル１６から噴射された燃料噴霧が、入口２０２からダクト２０の内部へと導入される。また、ダクト２０の入口２０２は燃焼室８内に露出しているため、燃焼室８内の充填空気もまた、ダクト２０の内部へと導入される。ダクト２０に噴射された燃料噴霧は、充填空気と乱流混合された後にダクト２０の出口２０４から噴射される。噴射された混合気は、燃焼室８の熱を受けながら充填空気が導入（エントレイン）された後に自着火して燃焼する。これにより、燃料噴霧と充填空気との予混合が促進されるので、均質化される前の過濃燃料が自着火することによるスモークの発生を抑制することが可能となる。
【００２１】
１−２−２．ダクトを備えた気筒の課題
図３は、ダクト装着気筒によるスモーク低減効果と運転条件との関係を示す図である。なお、この図では、横軸が各気筒の燃焼室のボア径を示し、縦軸が正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）を示している。この図に示すように、ダクト装着気筒によるスモーク低減効果は、ボア径が大きいほどその領域が拡大している。つまり、ダクト内では、ダクト非装着気筒での通常の燃料噴射よりも、噴霧内への空気の導入が阻害される。このため、ダクト装着気筒のダクト出口の燃料噴霧は、ダクト非装着気筒の通常の燃料噴射よりも空気導入量が相対的に少ないこととなる。しかしながら、ダクトを通過した燃料噴霧はダクト出口から高速で噴射されるため、その後の空気導入量は多量となる。
【００２２】
したがって、ダクトの出口から噴射された燃料噴霧が燃焼室壁面に衝突する前に十分に空気が導入されればスモーク低減効果を発揮することができるが、逆に十分に空気が導入される前に燃焼室壁面に衝突してしまうとスモーク低減効果が得られない。このように、ボア径の小さいエンジンでは、燃料噴射速度が高い高負荷運転時にダクトの装着によるスモーク低減効果が得られないという課題がある。
【００２３】
ここで、燃焼室のボア径の小さいエンジンにおけるダクト装着有無によるスモーク低減効果の差異について考察する。図４は、燃料の噴射速度に対する単位時間当たりの燃料噴霧への空気導入量（エントレイン量）を示す図である。この図に示すように、噴射速度が高いほど単位時間当たりのエントレイン量は高くなる。特に、ダクト装着気筒では、ダクト出口以降の噴射速度が高いために、単位時間当たりのエントレイン量がダクト非装着気筒よりも高くなっている。
【００２４】
しかしながら、エントレイン量には燃焼室壁面への衝突に起因する制約がある。図５は、燃料の噴射速度に対する燃焼室壁面に衝突するまでの時間を示す図である。この図に示すように、噴射速度が速いほど燃焼室の壁面に衝突するまでの時間が短くなる。なお、ダクト装着気筒では、燃料噴霧がダクトの出口から噴射されてからエントレインが始まるため、燃焼室壁面に衝突するまでの時間はダクトの出口から噴射されてからの時間としている。このため、燃焼室壁面に衝突するまでの時間は、ダクト装着気筒のほうがダクト非装着気筒よりも短くなる。
【００２５】
図６は、燃料の噴射速度に対する総エントレイン量の示す図である。この図に示すように、ボア径の小さいエンジンでは、噴射速度が高い高負荷領域において、ダクト装着気筒がダクト非装着気筒よりも総エントレイン量が低くなるおそれがある。このように、ボア径の小さいエンジンの高負荷領域では、ダクト非装着気筒のスモーク量がダクト装着気筒のスモーク量よりも低減される。
【００２６】
１−２−３．実施の形態１の特徴
上述の課題を解決するために、実施の形態１のエンジン２では、ダクト装着気筒のみによる燃焼と、ダクト非装着気筒のみの燃焼とを使い分ける制御を行うこととしている。具体的には、ＥＣＵ１００は、エンジン２の低負荷運転領域に属している時にはダクト装着気筒のみによる燃焼を行い、当該低負荷運転領域よりも高負荷な高負荷運転領域に属している時にはダクト非装着気筒のみによる燃焼を行うように制御する。図７は、実施の形態１のエンジンの運転条件と燃焼形態との関係を示す図である。低負荷運転及び高負荷運転の領域は、例えばこの図に示すようなエンジン回転速度とエンジン負荷から定まる運転領域で規定することとすればよい。
【００２７】
以上のような制御によれば、低負荷運転時はダクト装着気筒によるスモーク低減効果を得ることができ、また、高負荷運転時はダクト非装着気筒によるスモーク低減効果を得ることができる。これにより、幅広い運転領域においてスモーク低減効果を得ることが可能となる。
【００２８】
［実施の形態１の変形例］
実施の形態１のエンジン２は、以下のように変形した形態を採用してもよい。
【００２９】
ダクト２０の構成は、燃料噴射ノズル１６の噴孔１８から噴射された燃料が入口２０２から出口２０４へ通過するように構成されていれば、その形状、本数等に限定はない。例えば、ダクト２０は、シリンダヘッド４の天面部４２に筒状のダクト２０が吊り下げられている構成でもよい。このことは、後述する他の実施の形態でも同様である。
【００３０】
実施の形態２．
２−１．実施の形態２のエンジンの特徴
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２のエンジンは、図１及び図２に示すハードウェア構成を用いて、制御装置１００に後述する制御を実行させることにより実現することができる。
【００３１】
実施の形態１のエンジン２では、ダクト装着気筒のみによる燃焼と、ダクト非装着気筒のみによる燃焼とを運転条件に応じて使い分ける制御を行うこととした。これに対して、実施の形態２のエンジンでは、ダクト装着気筒のみによる減筒運転と、ダクト非装着気筒とダクト装着気筒を含む全気筒の全気筒運転とを使い分ける制御を行う点に特徴を有している。以下、実施の形態２のエンジンの利点について考察する。
【００３２】
図８は、燃料噴射量に対するスモーク量を説明するための図である。この図において、（Ａ）で示す実線は全気筒に対してダクトを装着して全気筒運転を行った場合のグラフを示している。また、（Ｂ）で示す点線は全気筒に対してダクトを非装着として全気筒運転を行った場合のグラフを示している。そして、（Ｃ）で示す鎖線は全気筒のうちの半数の気筒に対してダクトを装着し、残りの半数の気筒に対してダクトを非装着として全気筒運転を行った場合のグラフを示している。更に、（Ｄ）で示す一点鎖線は全気筒のうちの半数の気筒に対してダクトを装着し、当該ダクト装着気筒のみの減筒運転を行った場合のグラフを示している。
【００３３】
この図に示すように、ダクト装着気筒を半数とした（Ｃ）の全気筒運転では、全気筒をダクト装着気筒とした（Ａ）の燃焼形態と、全気筒をダクト非装着気筒とした（Ｂ）の燃焼形態との平均の性能が得られている。
【００３４】
また、減筒運転では、全気筒運転よりも気筒当たりの噴射量が増える。通常は燃料の噴射量が増えるとスモークは増加するため、全気筒運転でのスモーク量は、減筒運転でのスモーク量よりも少なくなる。しかしながら、この図に示すように、低負荷運転時は、噴射量にかかわらずスモーク量が低くなる。このため、この図に2点鎖線（Ｅ）で示すように、低負荷運転時は（Ｄ）に示す減筒運転を行い、高負荷運転時は（Ｃ）に示す全気筒運転を行うことが好ましい。
【００３５】
そこで、実施の形態２のエンジン２では、具体的には、ＥＣＵ１００は、エンジン２の低負荷運転領域に属している時にはダクト装着気筒のみによる減筒運転を行い、当該低負荷運転領域よりも高負荷な高負荷運転領域に属している時にはダクト装着気筒及びダクト非装着気筒による全気筒運転を行うように制御する。図９は、実施の形態２のエンジンの運転条件と燃焼形態との関係を示す図である。低負荷運転及び高負荷運転の領域は、例えばこの図に示すようなエンジン回転速度とエンジン負荷から定まる運転領域で規定することとすればよい。
【００３６】
以上のような制御によれば、低負荷運転時はダクト装着気筒のみの減筒運転によって高いスモーク低減効果を得ることができる。また、高負荷運転時は、少なくともダクト非装着気筒を含んだ全気筒運転によって、高いスモーク低減効果を得ることができる。これにより、幅広い運転領域においてスモーク低減効果を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
２  内燃機関（エンジン）
４  シリンダヘッド
６  シリンダブロック
８  燃焼室
１６  燃料噴射ノズル
１８  噴孔
２０  ダクト
４２  天面部
４４  凹部
４６  取付穴
６２  シリンダボア
１００  制御装置（ＥＣＵ）
２０２  入口
２０４  出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020112120.tif 000009
【図８】
2020112120.tif 000010
【図９】
2020112120.tif 000011