(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼室内での燃料のオクタン価の分布を適切なものとし、燃焼騒音の抑制及び未燃燃料の排出の抑制を図る。【解決手段】燃焼室４の上部中心に２つの燃料噴射弁１５，１６が配置され、各々の円錐形の噴霧は、噴霧角が異なる。高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６は、圧縮行程の途中からピストン冠面の中央部に形成されたキャビティ１７に向けて燃料を噴射するように、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５よりも噴霧角が狭い。従って、キャビティ１７内には高オクタン価の燃料が分布し、燃焼室４内には、径方向で中心へ向かうに従ってオクタン価の高い燃料が同心状に分布するオクタン価分布が形成される。【選択図】図１
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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、
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本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、
一方の燃料噴射弁は、圧縮行程の途中から上記キャビティに向けて燃料を噴射するように、他方の燃料噴射弁よりも噴霧角が狭く構成されていることを特徴とする圧縮着火内燃機関。
【請求項２】
噴霧角が狭い一方の燃料噴射弁は、圧縮行程前半ではキャビティの外側へ燃料を噴射し、圧縮行程の途中からキャビティへ向けて燃料を噴射するように噴霧角が設定されており、
噴霧角が広い他方の燃料噴射弁は、圧縮行程前半から圧縮行程後半にかけて、上記キャビティの外側へ燃料を噴射するように噴霧角が設定されてい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】
上記噴霧角が狭い一方の燃料噴射弁が、高オクタン価燃料を噴射する高オクタン価燃料用燃料噴射弁であり、
上記噴霧角が広い他方の燃料噴射弁が、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であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮着火内燃機関。
【請求項４】
機関運転条件に応じて上記２本の燃料噴射弁それぞれの燃料噴射時期，燃料噴射量，及び燃料噴射率の少なくとも一つを制御することによって、径方向に異なるオクタン価の燃料が分布する同心円状のオクタン価分布を形成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】
上記オクタン価分布は、径方向で中心へ向かうに従ってオクタン価が高くなるものであ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】
圧縮行程後半の主噴射に先がけて、吸気行程又は圧縮行程前半に、低オクタン価燃料又は高オクタン価燃料を予め噴射供給す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】
上記ピストン冠面と、このピストン冠面に対して略垂直な円筒面をなすキャビティの壁面と、の隅角部分に、ピストン冠面に対して傾斜する傾斜面又は湾曲面をなすキャビティリップ部を有することを特徴とする請求項１〜６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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３９９４５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。従って、燃焼騒音を抑えつつ、低負荷から高負荷にわたる幅広い運転領域で良好な圧縮着火燃焼を成立させることが困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、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本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、一方の燃料噴射弁は、少なくとも圧縮行程後半では上記キャビティに向けて燃料を噴射するように、他方の燃料噴射弁よりも噴霧角が狭く構成されていることを特徴としている。
【０００６】
噴霧角が狭い一方の燃料噴射弁からキャビティに向けて燃料を噴射することにより、キャビティ内には、この一方の燃料噴射弁より噴射された固有のオクタン価を有する燃料が分布する。これに対し、キャビティの外側では、噴霧角が広い他方の燃料噴射弁から噴射された固有のオクタン価を有する燃料、あるいは、両燃料噴射弁から噴射され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が分布し、径方向でオクタン価の異なる燃料が分布する同心円状のオクタン価分布を形成することができる。
【０００７】
ここで、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。
【０００８】
従って、上述したように筒内にオクタン価が径方向に変化する同心円状のオクタン価分布を形成し、低オクタン価燃料と高オクタン価燃料との混合・干渉状態を適切なものとすることで、中間のオクタン価を有する燃料を分布させて、急峻な燃焼による燃焼騒音を抑えつつ、例えば筒内の外周側に低オクタン価を有する燃料、内周側に高オクタン価を有する燃料、中間に中間のオクタン価を有する燃料を同心円状に分布させることで、筒内の外周側から内周側へと燃焼が進行し、シリンダ壁面近傍のピストンクレビス部などに残存する未燃燃料成分を抑制し、未燃燃料成分の排出を抑えることができる。
【発明の効果】
【０００９】
このように本発明によれば、燃焼室内での燃料のオクタン価の分布を適切なものとすることで、燃焼騒音を抑え、かつ、未燃燃料成分の排出を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例に係る圧縮着火内燃機関を示す構成説明図。
【図２】上記実施例の低負荷域での設定を示す説明図。
【図３】上記実施例の高負荷域での設定の一例を示す説明図。
【図４】上記実施例の高負荷域での設定の他の例を示す説明図。
【図５】上記実施例の低〜中負荷（Ａ），中負荷（Ｂ），及び中〜高負荷（Ｃ）でのオクタン価分布を模式的に示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、この発明に係る圧縮着火内燃機関の一実施例を示している。シリンダヘッド２とシリンダブロック１とピストン３とによってシリンダ１Ａ内に燃焼室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。シリンダブロック１にはシリンダ１Ａの周囲に冷却水が通流するウォータージャケット１２が形成されている。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。
【００１２】
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、キャビティ１７が設けられている。キャビティ１７は、ピストン冠面３Ａに平行な底面１７Ａと、この底面１７Ａの外周から略垂直に立ち上がる円筒状のキャビティ壁面１７Ｂと、を有している。そして、ピストン冠面３Ａとキャビティ壁面１７Ｂとの隅角部分に、ピストン冠面３Ａに対して適宜に傾斜する傾斜面（又は湾曲面）をなすキャビティリップ部１８が形成されている。このキャビティリップ部１８は、噴射された燃料をキャビティリップ部１８の上空へと跳ね上げさせるように、その傾斜角度やピストン径方向長さが設定されている。
【００１３】
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α２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α１が広く構成されている。
【００１４】
具体的には、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５は、噴霧角α１をなす噴霧軸線Ｚ１が、圧縮行程前半から中盤にかけての期間（ＢＤＣ〜６０ＢＴＤＣ（上死点前））では、ピストン冠面３Ａと干渉することなくシリンダ１Ａの壁面を指向し、圧縮行程後半（６０ＢＴＤＣ〜３０ＢＴＤＣ）では、ピストン冠面３Ａの領域Ａを指向し、圧縮上死点近傍（３０ＢＴＤＣ〜ＴＤＣ）ではキャビティリップ部１８の領域Ｂを指向するように設定されている。つまり、圧縮行程ではキャビティ１７を指向することのないように噴霧角α１が広く設定されている。
【００１５】
一方、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６は、噴霧角α２をなす噴霧軸線Ｚ２が、圧縮行程中盤（〜６０ＢＴＤＣ）ではピストン冠面３Ａの領域Ａを指向し、圧縮行程後半の途中まで（６０ＢＴＤＣ〜４５ＢＴＤＣ）はキャビティリップ部１８の領域Ｂを指向し、圧縮行程後半の途中から圧縮上死点までの期間（４５ＢＴＤＣ〜ＴＤＣ）では、キャビティ１７内の領域Ｃを指向するように設定されている。
【００１６】
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。
【００１７】
図２は、低負荷域での燃料噴射時期（期間）及び燃料噴射率の設定例を示している。この低負荷域では、両燃料噴射弁１５，１６の噴射期間を圧縮行程後半の短い期間、例えば４５ＢＴＤＣ〜１５ＢＴＤＣ程度に設定する。
【００１８】
このような設定により、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６から噴射された燃料のうち、噴射期間の前半に噴射された燃料は、キャビティリップ部１８の領域Ｂへ噴射され、その上空へ巻き上げられるとともに、噴射期間の後半に噴射された燃料はキャビティ１７内の領域Ｃへ噴射され、キャビティ１７の領域Ｃに高オクタン価燃料Ｆｈが分布する。一方、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５より噴射された燃料のうち、噴射期間の前半に噴射された燃料はピストン冠面３Ａの領域Ａへ向けて噴射され、そのピストン冠面３Ａ上に低オクタン価燃料Ｆｌが分布するとともに、噴射期間の後半に噴射された燃料はキャビティリップ部１８の領域Ｂへと噴射され、その上空へ巻き上げられることで、上述した低オクタン価燃料と混合し、キャビティリップ部１８の上空に中間のオクタン価燃料Ｆｍが分布する。
【００１９】
ここで、キャビティリップ部１８の上空に分布する中間のオクタン価燃料Ｆｍが過濃とならないように、キャビティリップ部１８の領域Ｂに向けて噴射される状況、すなわち、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５にあっては噴射期間の後半、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６にあっては噴射期間の前半に、その噴射率（噴射量）を低く抑制している。
【００２０】
これによって、図５（Ａ）に示すように、径方向で異なるオクタン価の燃料Ｆｌ，Ｆｍ，Ｆｈが同心円状に分布するオクタン価分布が形成され、具体的には、外周側が低オクタン価の燃料Ｆｌ，内周側が高オクタン価の燃料Ｆｈ，その中間が中間のオクタン価の燃料Ｆｍが分布し、つまり径方向中心へ向かうに従ってオクタン価が高くなる同心円状のオクタン価分布が形成される。また、この低負荷域では、燃料噴射期間が圧縮行程後半の短い期間とされていることから、燃料分布が燃焼室中央部の狭い範囲に限られたコンパクトなものとなる。
【００２１】
なお、図５等では表記上の制限からそれぞれのオクタン価燃料Ｆｌ，Ｆｍ，Ｆｈが独立した領域を占めるかのように描かれているが、実際には一つの空間であるために適宜に混ざり合ったものとなる。
【００２２】
このように低負荷域では、中心へ向かってオクタン価が高くなる同心円状のコンパクトなオクタン価分布を形成し、外周側に低オクタン価燃料を実質的に混合させずに分布させることで、確実な着火を確保し、良好な圧縮着火燃焼を実現することができ、かつ、燃焼室４の中央部で外周側から内周側へ向かって燃焼が進行することとなるために、シリンダ１Ａの壁面近傍のピストンクレビス部等に残存する未燃燃料成分が抑制される。
【００２３】
図３は、高負荷域での燃料噴射時期（期間）及び噴射率の設定の一例を示している。この高負荷域では低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５の噴射期間が圧縮行程中盤・後半の期間、具体的には７５ＢＴＤＣ〜５０ＢＴＤＣ程度とされ、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６の噴射期間は、圧縮行程中盤から圧縮上死点近傍にかけての長い期間、具体的には７０ＢＴＤＣ〜１５ＢＴＤＣ程度に設定されている。
【００２４】
このような設定により、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５から噴射された燃料はピストン冠面上方のシリンダ外周へ向けて噴射されるとともに、高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６から噴射された燃料は、圧縮行程でのピストン上昇に伴って、ピストン冠面３Ａの領域Ａ，キャビティリップ部１８の領域Ｂ及びキャビティ１７内の領域Ｃへと噴射される。これによって、図３（Ｄ）及び図５（Ｃ）に示すように、燃焼室４内には、内周側に高オクタン価燃料Ｆｈが広く分布し、かつ、外周側には、低オクタン価燃料（あるいは、高オクタン価燃料がある程度混合した中間のオクタン価燃料）Ｆｌと、その内側に両燃料が混合した中間のオクタン価燃料Ｆｍとが同心円状に分布する。
【００２５】
このように高負荷域では、低負荷域に比して、燃料の分布範囲が広いものとなるものの、低負荷域の場合と同様、中心へ向かってオクタン価が高くなる同心円状のオクタン価分布が形成されるため、燃焼室全体にわたって外周側から内周側へ向かって燃焼が進行することで、未燃燃料成分の排出を抑制することができる。また、この高負荷域では、高オクタン価燃料Ｆｌをピストン冠面３Ａ上にまで広く分布させて、高オクタン価燃料Ｆｌ及び中間オクタン価燃料Ｆｍが燃焼室４内の燃料の大部分を占めるようにすることで、燃焼期間を適正なものとして、急峻な燃焼による燃焼騒音を抑えることができる。
【００２６】
図４は、高負荷域での燃料噴射時期（期間）及び噴射率の設定の他の例を示しており、更に負荷の高い全負荷付近の設定に対応している。この設定では、圧縮行程後半での主噴射に加え、吸気行程（又は圧縮行程前半）に、高オクタン価燃料を予め噴射供給している。これにより、図４（Ｂ）に示すように、吸気行程（又は圧縮行程前半）に噴射された高オクタン価燃料がピストン上昇に伴って燃焼室４内に広く分布した状態となり、この状態で、圧縮行程後半において、低オクタン価燃料が噴射されると、高オクタン価燃料と速やかに混合し、シリンダ外周寄りに分布する燃料のオクタン価が、噴射した燃料の低オクタン価よりも高い中間のオクタン価Ｆｍ１，Ｆｍ２となる。つまり、シリンダ１Ａ内に分布する燃料の最低のオクタン価Ｆｍ１を、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５より噴射した燃料のオクタン価よりも高いものとすることができる。
【００２７】
負荷が高くなり燃料噴射量が多くなる条件では、図３に示すように、圧縮行程中盤・後半に両燃料を噴射する構成では、２つの燃料の混合が充分に進まず、低オクタン価燃料が混合せずに残存する割合が増えると、着火時期が不用意に進角する場合がある。このような場合、上述したように、吸気行程（または圧縮行程前半）に予め高オクタン価燃料を噴射しておくことで、燃料の混合を促進し、燃焼室内を中間オクタン価以上の燃料が占めるようにすることで、燃焼期間を適正化し、良好な圧縮着火燃焼を実現することができる。
【００２８】
なお、中負荷域の燃料噴射時期（期間）や噴射率の設定については、ここでは詳細な説明は省略するが、上述した低負荷域と高負荷域の中間的な設定を用いることで、図５（Ｂ）にも示すように、低負荷域の場合と同様、中心へ向けてオクタン価が高くなる同心円状のオクタン価分布を形成し、良好な圧縮着火燃焼を実現することができる。
【００２９】
次に、本発明の特徴的な構成について、図示実施例を参照して列記する。但し、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、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。また、上記実施例ではオクタン価分布を中心へ向かってオクタン価が高くなるものとしているが、これとは逆に、中心へ向かってオクタン価が低くなるものとすることも可能である。
【００３０】
［１］一方の燃料噴射弁１６は、圧縮行程の途中から上記キャビティ１７に向けて燃料を噴射するように、他方の燃料噴射弁１５よりも噴霧角が狭く構成されている。
【００３１】
［２］より具体的には、噴霧角α２が狭い一方の燃料噴射弁１６は、圧縮行程前半ではキャビティ１７の外側へ燃料を噴射し、圧縮行程の途中からキャビティ１７へ向けて燃料を噴射するように噴霧角α２が設定されており、噴霧角α１が広い他方の燃料噴射弁１５は、圧縮行程前半から圧縮行程後半にかけて、上記キャビティ１７の外側へ燃料を噴射するように、つまりキャビティ１７内へ燃料を噴射することのないように、噴霧角α１が広く設定されている。
【００３２】
［３］典型的には、高オクタン価燃料を噴射する高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６の噴霧角α２が狭く設定され、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の噴霧角α１が広く設定される。
【００３３】
［４］上述したような構成によって、機関運転条件に応じて上記２本の燃料噴射弁１５，１６それぞれの燃料噴射時期，燃料噴射量，及び燃料噴射率の少なくとも一つを制御することによって、図５に示すように、異なるオクタン価の燃料が同心円状に分布するオクタン価分布を形成することができる。
【００３４】
［５］また、上記［３］のように高オクタン価燃料用燃料噴射弁１６の噴霧角α２を狭く、低オクタン価燃料用燃料噴射弁１５の噴霧角α１を広く設定することで、オクタン価分布は、径方向で中心へ向かうに従ってオクタン価が高いものとなる。これにより、シリンダ外周側から内周側へと燃焼が進行することとなり、シリンダ外周部に残存する未燃燃料を抑制し、排気エミッションの低減及び燃費向上を図ることができる。
【００３５】
［６］高負荷域では、圧縮行程後半の主噴射に先がけて、吸気行程又は圧縮行程前半に、低オクタン価燃料又は高オクタン価燃料を予め噴射供給することによって、オクタン価の異なる２種の燃料の混合を促進し、例えば図４に示すように燃焼室内を中間のオクタン価以上の燃料が占めるようにすることで、燃焼期間を適正化し、着火期間の不用意な進角化などを招くことなく、良好な圧縮着火燃焼を実現することができる。
【００３６】
［７］また、上記ピストン冠面３Ａと、このピストン冠面３Ａに対して略垂直な円筒面をなすキャビティの壁面１７Ｂと、の隅角部分に、ピストン冠面３Ａに対して傾斜する傾斜面又は湾曲面をなすキャビティリップ部１８を設ける。これにより、例えば上述した低負荷域では、キャビティリップ部１８へ向けて噴射される燃料の噴射時期や噴射率（噴射量）を制御することによって、図２に示すように、キャビティリップ部１８の上空で２種の燃料を適宜に混合させて、内周側のキャビティ１７上の高オクタン価燃料Ｆｈと、外周側のピストン冠面３Ａ上の低オクタン価燃料Ｆｌとの間に、中間のオクタン価の燃料Ｆｍを良好に分布させることができる。
【符号の説明】
【００３７】
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
１８…キャビティリップ部
【図１】
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【図２】
2010185397.tif 000004
【図３】
2010185397.tif 000005
【図４】
2010185397.tif 000006
【図５】
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