(57)【要約】【課題】燃焼室４内での燃料のオクタン価の分布を機関運転状態に適したものとし、低負荷域での確実な着火と高負荷域での燃焼騒音抑制等を図る。【解決手段】燃焼室４の上部中心に２つの燃料噴射弁が配置され、各々の円錐形の噴霧は、噴霧角が異なる。高オクタン価燃料Ｆ１は噴霧角が狭く、低負荷、中負荷では、圧縮行程後半にピストン３のキャビティ１７内に噴射される。低オクタン価燃料Ｆ２は、噴霧角が広く、その噴射時期によって圧縮着火時期が制御されるが、低負荷域では、キャビティ１７に衝突した高オクタン価燃料Ｆ１と干渉しない時期に噴射され、中負荷域では、キャビティ１７から上昇した高オクタン価燃料Ｆ１と干渉する時期となり、一部が混合して、中間のオクタン価を有する燃料となる。高負荷域では、吸気行程中に高オクタン価燃料が噴射され、後から噴射された低オクタン価燃料Ｆ２と混合する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低オクタン価燃料および高オクタン価燃料をそれぞれ筒内に直接噴射し、圧縮自己着火させる筒内直接噴射式の圧縮着火内燃機関において、各々の燃料の筒内での干渉状態を制御し、互いに混合せずに分布する固有のオクタン価を有する燃料の量と、噴射した燃料の混合によって生じた中間のオクタン価を有する燃料の量との割合を、機関運転状態に応じて変化させることを特徴とする圧縮着火内燃機関。
【請求項２】
各々の燃料の噴射時期を調整することにより筒内での両燃料の干渉状態を制御することを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関。
【請求項３】
筒内のガス流動の強度を可変制御する手段を備え、このガス流動の強度によって筒内での両燃料の干渉状態を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮着火内燃機関。
【請求項４】
低負荷域では、各々の燃料の干渉を小さくして中間のオクタン価の燃料の割合を少なくし、高負荷域では干渉を大きくして中間のオクタン価の燃料の割合を多くすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮着火内燃機関。
【請求項５】
所定負荷以下の低負荷域では、固有のオクタン価を有する低オクタン価燃料が混合せずに分布するように干渉状態を制御することを特徴とする請求項４に記載の圧縮着火内燃機関。
【請求項６】
低オクタン価燃料および高オクタン価燃料をそれぞれ噴射する２つの燃料噴射弁が燃焼室中心部に配置されるとともに、ピストン冠面の中央部にキャビティを有し、
高オクタン価燃料用燃料噴射弁は上記キャビティに向けて燃料を噴射するように噴霧角が狭く構成され、低オクタン価燃料用燃料噴射弁は、この高オクタン価燃料の噴霧の外側に燃料を噴射するように噴霧角が広く構成され、かつ高オクタン価燃料が早期に噴射されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮着火内燃機関。
【請求項７】
噴霧角の広い低オクタン価燃料用燃料噴射弁が燃焼室中心部に配置されるとともに、高オクタン価燃料用燃料噴射弁が燃焼室の吸気弁側から排気弁側へ向けて斜めに燃料を噴射するように配置され、かつ高オクタン価燃料が早期に噴射されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮着火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、予混合圧縮着火燃焼、特にオクタン価の異なる２種の燃料をそれぞれ筒内に直接噴射して圧縮着火燃焼を行う圧縮着火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料とを筒内に個々に噴射するようにした内燃機関が開示されている。ここでは、２つの燃料噴射弁からオクタン価の異なる燃料を両者が実質的に重ならないように噴射することで、燃料濃度が均質でかつオクタン価分布のある混合気場を形成するようにしており、これによって広い運転領域で圧縮着火燃焼の実現を図っている。
【特許文献１】特開２００５−１３９９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、２つの燃料を別個に分布させることができる反面、中間のオクタン価となる混合した燃料分布を形成できないため、適用可能な運転領域が限定されてしまう。すなわち、特許文献１では、負荷の上昇に伴って、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料の供給割合を、低オクタン価燃料が少なくなるように制御する旨開示されているが、２つの燃料が混合せずに負荷の上昇とともに高オクタン価燃料の量を増加させた場合、低オクタン価燃料によって着火した高オクタン価燃料が一斉に発火するため、燃焼後半が急峻燃焼になり、燃焼騒音が過大となる。また、負荷の上昇に対し低オクタン価燃料が過度に増加すると、低オクタン価燃料が一斉に発火し、燃焼の前半が急峻な燃焼となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
そこで、本発明は、低オクタン価燃料および高オクタン価燃料をそれぞれ筒内に直接噴射し、圧縮自己着火させる筒内直接噴射式の圧縮着火内燃機関において、各々の燃料の筒内での干渉状態を制御し、互いに混合せずに分布する固有のオクタン価を有する燃料の量と、噴射した燃料の混合によって生じた中間のオクタン価を有する燃料の量との割合を、機関運転状態に応じて変化させることで、各々の燃料が一斉に着火し熱発生が急峻になることを抑制するようにした。
【０００５】
すなわち、オクタン価の低い燃料は、燃料噴射後着火に至るまでの期間いわゆる着火遅れ期間が短いため、噴射後速やかに着火に至る。一方、高オクタン価燃料は、着火遅れ期間が長い。一般的に２つのオクタン価の燃料を混合させた場合、混合燃料のオクタン価は２つの燃料のオクタン価の中間のオクタン価となる。この中間のオクタン価の燃料では、中間の着火遅れ期間となる。従って、筒内に分布させる燃料のオクタン価に適当な分布が存在すれば、着火開始時期に位相差を生じさせることができ、燃焼期間を調整することが可能となる。
【０００６】
一方、燃料の着火遅れ期間は燃料濃度にも影響を受ける。つまり、濃度が低い混合気では、相対的に濃度の高い混合気に比べて着火遅れ期間が長くなる。低オクタン価燃料を着火源として燃焼を開始させる圧縮着火内燃機関の場合、噴射する燃料量の少ない機関低負荷において、低オクタン価燃料が高オクタン価燃料と混合することによってそのオクタン価が上昇してしまうと、着火遅れが長くなりすぎてしまい、失火や着火時期の不安定に起因した燃焼変動を引き起こす可能性が高くなる。機関低負荷においては、高オクタン価燃料量も少ないため、仮にこの高オクタン価燃料が一斉に着火した場合でも運転性に支障をきたすことはない。
【０００７】
従って、機関負荷が低負荷においては、異なるオクタン価の燃料を混合させずに分布させて、低オクタン価燃料による確実な着火を実現することが望ましい。そして、機関負荷の上昇に伴って、両者が混合した中間のオクタン価を有する混合気を分布させることによって、適宜なオクタン価分布を生成し、これによって適切な期間での燃焼を実現することが望ましい。
【０００８】
なお、低オクタン価燃料は着火遅れ期間が短いため、燃焼室内での圧縮着火の時期は、実質的に、低オクタン価燃料の噴射時期によって制御される。
【０００９】
中間のオクタン価の燃料の生成つまり各々の燃料の筒内での干渉状態を制御する手段の一つとしては、燃料噴霧の相対位置を調整するために、各々の噴射時期を調整することが可能である。例えば、機関の低負荷ではオクタン価の異なる２つの燃料の噴射時期を圧縮上死点に近づけるとともに、噴射時期の間隔を狭くすることで、異なる燃料が筒内に広く分布する前に着火させ、燃料の混合によるオクタン価の変動（上昇・低下）を防ぐ。一方、機関負荷が高くなるとともに、オクタン価の異なる２つの燃料の噴射時期のうち、少なくとも先に噴射する高オクタン価燃料の噴射時期を進角させるともに、２つの噴射時期の間隔を広くすることで、筒内に比較的広く分布した高オクタン価燃料中を低オクタン価燃料が通過するようにし、燃料の混合による中間オクタン価の混合気を生成する。
【００１０】
また、各々の燃料の筒内での干渉状態を制御するために、筒内のガス流動（例えばスワールやタンブル）の強度を可変制御する手段を用いることができる。例えば、機関低負荷では、ガス流動を強くすることによって、先に噴射した高オクタン価燃料を、ガス流動が弱い場合の噴射方向とは異なる位置に分布させるようにし、次に低オクタン燃料を噴射する。低オクタン価燃料は着火遅れ期間が短いため、流動の影響で筒内の分布位置が大きく異なることはない。これに対し、着火遅れ期間の長い高オクタン価燃料はガス流動の影響を受けやすい。例えばガス流動の強度が弱いときに両者が重なり合って中間のオクタン価を生成しやすくように各々の燃料噴霧の指向方向を設定しておくことで、筒内のガス流動の強度によって中間のオクタン価の混合気生成量を調整することが可能である。
【００１１】
上述したように、機関の低負荷域では、中間のオクタン価の燃料量を少なくし、高負荷域では、中間のオクタン価の燃料量を多くするように制御することが、低負荷域における確実な着火と、高負荷域における燃焼期間の適正化と、の観点から望ましい。特に、所定負荷以下の低負荷域においては、確実な着火を行うために、筒内に実際に分布している低オクタン価燃料のオクタン価が、燃料噴射弁に供給された低オクタン価燃料の固有のオクタン価つまり供給可能な最低オクタン価であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、燃焼室内での燃料のオクタン価の分布を機関の運転状態に適したものとすることができ、例えば低負荷域において確実な着火を行うことができるとともに、高負荷域における急峻な熱発生を回避して燃焼騒音を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、この発明に係る圧縮着火内燃機関の第１実施例を示しており、シリンダヘッド１とシリンダブロック２とピストン３とによって燃焼室４が形成されている。この燃焼室４は、吸気弁５を介して吸気ポート６と連通し、かつ排気弁７を介して排気ポート９と連通する。吸気弁５および排気弁７は、それぞれ吸気弁用カム１０、排気弁用カム１１によって開閉駆動される。燃焼室４の上面中心部には、２つの燃料噴射弁つまり低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５と高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６とが並んで配置されている。
【００１４】
各々の燃料噴射弁１５，１６には、別個の燃料配管ならびに燃料ポンプ等（いずれも図示せず）を介して、低オクタン価燃料および高オクタン価燃料が個々に供給されている。これらの燃料噴射弁１５，１６に対向して、ピストン３の冠面中央部には、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６から噴射された燃料を受け止めて成層混合気形成を行えるように、適宜な形状のキャビティ１７が設けられている。これら２つの燃料噴射弁１５，１６は、いずれも、シリンダ中心軸線を中心とした円錐形の噴霧を形成するが、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６は上記キャビティ１７内に向けて燃料を噴射するように噴霧角が狭く構成され、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５は、この高オクタン価燃料の噴霧の外側に燃料を噴射するように噴霧角が広く構成されている。なお、これらの燃料噴射弁１５，１６は、通常は、全体として円錐形の噴霧を形成するマルチホール型燃料噴射弁が用いられるが、必ずしもこれに限定されず、円錐形の噴霧を形成する単噴孔のものであってもよい。
【００１５】
次に、上記構成における作用を説明すると、図３は、上記燃料噴射弁１５，１６のそれぞれの燃料噴射時期（噴射期間）を、横軸を機関の負荷、縦軸をクランク角度として示したものであり、図２は、このような燃料噴射によって実現される燃料分布を、低負荷時、中負荷時、高負荷時の３つについて模式的に示した説明図である。
【００１６】
始めに、図２について説明すると、例えば低負荷時には、図の（ａ１）→（ａ２）→（ａ３）のように変化する。高オクタン価燃料Ｆ１（図中では高オクタン価燃料の領域ないし噴霧をドットを施して表す）は、燃料噴射弁１６から狭い噴霧角でもって噴射されるが、圧縮行程後半にキャビティ１７に向けて噴射された燃料Ｆ１は、キャビティ１７底面に衝突した後、キャビティ１７外周部へ向かい、燃焼室４上方へと跳ね上がる。
【００１７】
機関低負荷においては、この高オクタン価燃料Ｆ１がキャビティ１７から巻き上がる前に、低オクタン価燃料Ｆ２（図中では低オクタン価燃料の領域ないし噴霧をクロスハッチングを施して表す）がシリンダ周辺へ向けて噴射される。従って、低オクタン価燃料Ｆ２は高オクタン価燃料Ｆ１とは干渉せずにキャビティ１７よりも外側のピストン冠面領域へと向かい、図（ａ３）のように、筒内に高オクタン価燃料と低オクタン価燃料をそれぞれ殆ど混合せずに分布させることができる。
【００１８】
一方、機関負荷が上昇し、中負荷となると、低負荷時と同様に、高オクタン価燃料Ｆ１が圧縮行程後半にキャビティ１７に向けて噴射されるが、図（ｂ２）のように、高オクタン価燃料Ｆ１がキャビティ１７から低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５の噴霧軸線（高さ位置）まで巻き上がった後、または直前に、低オクタン価燃料Ｆ２が噴射される。これにより、低オクタン価燃料Ｆ２は高オクタン価燃料Ｆ１と干渉しつつキャビティ１７よりも外側の領域へと向かい、筒内に、局部的に固有のオクタン価を有する高オクタン価燃料ならびに低オクタン価燃料と、両者の中間のオクタン価を有する燃料と、をそれぞれ分布させることができる。
【００１９】
機関負荷がさらに高まって高負荷域となると、キャビティ１７の外側にも高オクタン価燃料Ｆ１が分布するように、吸気行程または圧縮行程前半に、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６から高オクタン価燃料Ｆ１が噴射される。これにより高オクタン価燃料が燃焼室４内に広く分布した状態となり、この状態で、圧縮行程の後半において、低オクタン価燃料Ｆ２が噴射される。従って、低オクタン価燃料は噴射後速やかに高オクタン価燃料と混合され、中間のオクタン価を有する燃料が燃焼室４の燃料の殆どを占めるようになる。なお、図（ｃ３）等では表記上の制限から低オクタン価燃料Ｆ２が独立した領域を占めるかのように描かれているが、実際には、速やかに混合したものとなる。このように中間のオクタン価の燃料のみとなっても、高負荷域においては筒内の当量比が大きく、低オクタン価燃料による着火性が良いため、着火性が悪化することはない。
【００２０】
なお、いずれの負荷の場合も、低オクタン価燃料Ｆ２がシリンダボア周辺へ向かって噴射され、この低オクタン価燃料Ｆ２の噴霧を中心として着火が開始されるため、燃焼室４の中で着火開始部位をシリンダボア壁近傍とすることができ、従って、燃焼による膨張作用で未燃燃料がピストンクレビスに入り未燃ＨＣとして排出される、といった現象を抑制できる。
【００２１】
上記の各燃料噴射弁１５，１６からの燃料噴射時期は、より具体的には図３に示すように制御される。
【００２２】
先ず、低オクタン価燃料はそれ自身の自己着火によって燃焼開始を行わせることを目的として噴射するため、噴射時期は、圧縮上死点付近に設定される。低負荷側の区間Ａ，Ｂでは、負荷の上昇に対して、着火時における燃料の分散を適切にする（着火時期に拡散し過ぎて失火しないようにする）ために低オクタン価燃料噴射終了時期は一定にしつつ、低オクタン価燃料噴射開始時期を進角させて、噴射量を上昇させる。ただし、負荷がある値以上となる区間Ｃ〜Ｅでは、噴射量は一定とする。これは、噴射量の増大は、噴射時期の進角や噴射圧力の増大を必要とするため、低オクタン価燃料の貫徹力が過大となってシリンダボアに直撃するのを防ぐためである。
【００２３】
一方、高オクタン価燃料は低オクタン価燃料よりも以前に噴射を行う。所定の機関負荷以下の区間Ａでは、負荷上昇に対して、噴射開始時期を進角させるとともに噴射終了時期を遅角させて燃料噴射量を増大させる。破線Ｓ１は、高オクタン価燃料がピストン３に衝突して低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５の噴霧軸線まで達する時期を示しているが、この時期Ｓ１が、低オクタン価燃料の噴射終了時期よりも後となるようにして、両者の干渉を回避する。なお、噴射開始時期および噴射終了時期を破線Ｓ２，Ｓ３のようにしても、高オクタン価燃料がピストン３に衝突して低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５の噴霧軸線まで達する時期（破線Ｓ４で示す）は、低オクタン価燃料の噴射終了時期よりも後となるが、低負荷側での低オクタン価燃料の着火性を確実なものとするためには、実線で示した特性の方が高オクタン価燃料との混合のリスクが少なく、より好ましい。
【００２４】
また、所定の負荷以上の区間Ｂ，Ｃにおいては、噴射開始時期を進角させて燃料噴射量を増大させる。この高オクタン価燃料の噴射開始時期によって破線Ｓ１の特性が定まり、この破線Ｓ１の時期ひいてはこの破線Ｓ１の時期よりも後に噴射される低オクタン価燃料の量を調整することで、混合の程度が調整される。噴射終了時期は、負荷上昇に対し進角せず、一定もしくは緩やかに進角するが、これは、着火時期におけるキャビティ１７内の混合気が過濃とならないようにするためである。そして、さらに高負荷側の区間Ｄ，Ｅでは、キャビティ１７内の過濃混合気を回避するために、燃料噴射時期が、吸気行程または圧縮行程前半に設定される。
【００２５】
次に、図４は、オクタン価の異なる燃料噴霧の干渉状態をさらに積極的に制御するためにスワールを利用するようにした第２実施例を示しており、吸気ポート６に、スワールの強度を可変制御するためのスワール制御弁２１が設けられている。このスワール制御弁２１は、バタフライバルブ型の弁体の一部に切欠を備えた一般的な構成のものであり、所定の負荷域において閉位置とすることで、筒内にスワールを生成することができる。また、２つの燃料噴射弁１５，１６は、マルチホール型燃料噴射弁であって、いずれも、全体としてシリンダ中心軸線を中心とした円錐形の噴霧を形成するが、前述した実施例と同じく、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６はキャビティ１７内に向けて燃料を噴射するように噴霧角が狭く構成され、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５は、この高オクタン価燃料の噴霧の外側に燃料を噴射するように噴霧角が広く構成されている。また、個々の噴孔の噴霧は、図５に示すように、シリンダ軸方向から見たときに、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５の噴霧Ｆ２と高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６の噴霧Ｆ１とが、ほぼ同じ噴霧方向となっている。
【００２６】
図６は、この第２実施例における噴霧の混合を説明する説明図であって、図（ａ）に示す低負荷域では、スワール制御弁２１によってスワールの強度が強められ、これにおり、先に噴射された高オクタン価燃料の噴霧Ｆ１’がキャビティ１７内で跳ね上がって燃料塊Ｆ１のように上昇する際に、スワール下流側に移動する。従って、遅れて噴射される低オクタン価燃料の噴霧Ｆ２とシリンダ軸方向に見て重なり合わず、両者の混合が抑制される。
【００２７】
これに対し、負荷の高い領域では、図（ｂ）に示すように、スワール強度が弱められ、あるいはスワールが付与されない。そのため、先に噴射された高オクタン価燃料の燃料塊Ｆ１と低オクタン価燃料の噴霧Ｆ２とが干渉し、中間のオクタン価の燃料が生成される。
【００２８】
上記の第２実施例では、各燃料噴射弁１５，１６からの燃料噴射時期は、図７に示すように制御される。この噴射時期の制御の基本的な考え方は前述の第１実施例と同じであるが、低負荷側においてスワールによって２つの燃料の混合を抑制できるため、高オクタン価燃料の噴射時期をより進角側に設定することが可能である。従って、負荷の上昇に対して高オクタン価燃料の噴射量を増量する場合に、噴射開始時期の進角のみによってもよい。
【００２９】
次に、図８は、燃料噴射弁１５，１６の配置を変更したこの発明の第３実施例を示している。この実施例では、低オクタン価燃料を噴射する低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５が燃焼室４の上面中心部に設置されている。この低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５は、前述した各実施例と同じく、シリンダ中心軸線を中心とした円錐形の噴霧を形成するものであり、その噴霧角が広く設定されている。一方、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６は、吸気ポート６の下側に配置され、燃焼室４の吸気弁側から排気弁側へ向けて斜め下方へ燃料を噴射するようになっている。この高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６の配置に対応して、ピストン３冠面には、この吸気弁側から噴射される高オクタン価燃料噴霧を受け止めて燃焼室４中心から排気弁側へ跳ね上げるための凹部３１および該凹部３１の排気弁側の端縁に位置する滑らかに立ち上がった凸部３２が設けられている。
【００３０】
図９は、この第３実施例における噴霧の混合を説明する説明図であって、図（ａ）に示すように、高オクタン価燃料Ｆ１は、機関負荷が比較的高い領域を除いて、圧縮行程後半においてピストン３冠面へ向けて斜めに噴射される。この噴霧Ｆ１は、ピストン３冠面の凹部３１によって受け止められた後、滑らかに立ち上がった凸部３２に沿って上方へと跳ね上げられる。この高オクタン価燃料の燃料塊に対する低オクタン価燃料Ｆ２の相対的な燃料噴射時期を調整することで、第１実施例と同様に、両者の干渉を制御することができる。従って、各燃料噴射弁１５，１６の燃料噴射時期の制御は概ね第１実施例と同様となる。例えば低負荷域では、図（ａ）のように干渉が生じる前に低オクタン価燃料Ｆ２が噴射される。これに対し中負荷域では、図（ｂ），（ｃ）に示すように、ピストン３冠面に衝突した高オクタン価燃料Ｆ１が低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５の噴霧軸線に達した段階で低オクタン価燃料Ｆ２が噴射され、両者の混合が生じる。
【００３１】
この第３実施例の場合、高オクタン価燃料が吸気弁側から排気弁側へ向かって噴射されるので、噴射後、高オクタン価燃料は燃焼室４中心からやや排気弁側に偏って分布する。これに対し、低オクタン燃料はシリンダ軸線を中心として放射状に噴射されるので、吸気弁側の領域では燃料の干渉が起こりにくい。従って、燃焼室４内で、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料と中間のオクタン価の燃料との生成が容易になる。また、燃焼室４の上部中心に２つの燃料噴射弁１５，１６を配置する必要がないため、燃焼室４のレイアウトが容易になる利点がある。
【００３２】
なお、上述した第１、第２実施例においては、２つの燃料噴射弁１５，１６が完全に分離独立した構成でなくてもよく、２つの燃料を噴射することが可能な実質的に一体化した構成の燃料噴射弁とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１実施例の構成説明図。
【図２】この第１実施例における負荷に応じた燃料の混合の状態を示す説明図。
【図３】各燃料噴射弁の燃料噴射時期を示す特性図。
【図４】第２実施例の構成説明図。
【図５】各燃料噴射弁の噴霧の方向を示す説明図。
【図６】この第２実施例における噴霧の混合の状態を示す説明図。
【図７】第２実施例の各燃料噴射弁の噴射時期を示す特性図。
【図８】第３実施例の構成説明図。
【図９】この第３実施例における噴霧の混合の状態を示す説明図。
【符号の説明】
【００３４】
３…ピストン
４…燃焼室
１５…低オクタン価燃料用燃料噴射弁
１６…高オクタン価燃料用燃料噴射弁
１７…キャビティ
２１…スワール制御弁
【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】
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【図８】
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【図９】
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