(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮行程中に燃焼室内に噴射される燃料の噴射時期を、噴射燃料の低温酸化反応が圧縮上死点付近まで継続しかつ圧縮上死点付近又は圧縮上死点後に高温酸化反応が生ずる噴射時期に設定した内燃機関の燃焼方法であって、直列に配置された過給機と排気ターボチャージャを用いて吸入空気を過給すると共に排気タービンの可動ベーンを制御することによって燃焼室内への吸入ガス圧を要求負荷が高くなるにつれて指数関数的に増大させ、燃焼室内への吸入ガス温をインタクーラによりほぼ６０℃以下に保持し、燃料の噴射時期を圧縮上死点前のほぼ１５°からほぼ６０°の間に設定し、それによって要求負荷が高くなったときであっても圧縮上死点付近まで高温酸化反応が生ずることなく低温酸化反応が継続しかつ圧縮上死点付近又は圧縮上死点後に高温酸化反応が生ずるようにした内燃機関の燃焼方法。
【請求項２】
圧縮上死点付近又は圧縮上死点後に更に燃料を噴射することによって高温酸化反応を生じさせるようにした請求項１に記載の内燃機関の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮行程後半に補助燃料を噴射し、圧縮上死点付近において主燃料を噴射するようにした圧縮着火式内燃機関が公知である（特開平１１−７２０３８号）。この圧縮着火式内燃機関では主燃料が噴射されるまでは補助燃料を低温酸化反応させて燃焼しやすい状態に維持し、主燃料が噴射された後に主燃料および補助燃料を燃焼せしめるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの圧縮着火式内燃機関では主燃料を噴射しないと失火するので必ず補助燃料と主燃料とを噴射しなければならない。
本発明は、圧縮行程中に一回しか燃料噴射を行わない場合であってもＮＯｘ  および煤の発生量の少ない良好な燃焼が得られる燃焼方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために１番目の発明では、圧縮行程中に燃焼室内に噴射される燃料の噴射時期を、噴射燃料の低温酸化反応が圧縮上死点付近まで継続しかつ圧縮上死点付近又は圧縮上死点後に高温酸化反応が生ずる噴射時期に設定した内燃機関の燃焼方法であって、直列に配置された過給機と排気ターボチャージャを用いて吸入空気を過給すると共に排気タービンの可動ベーンを制御することによって燃焼室内への吸入ガス圧を要求負荷が高くなるにつれて指数関数的に増大させ、燃焼室内への吸入ガス温をインタクーラによりほぼ６０℃以下に保持し、燃料の噴射時期を圧縮上死点前のほぼ１５°からほぼ６０°の間に設定し、それによって要求負荷が高くなったときであっても圧縮上死点付近まで高温酸化反応が生ずることなく低温酸化反応が継続しかつ圧縮上死点付近又は圧縮上死点後に高温酸化反応が生ずるようにしている。
【０００５】
２番目の発明では１番目の発明において、圧縮上死点付近又は圧縮上死点後に更に燃料を噴射することによって高温酸化反応を生じさせるようにしている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１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は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内には一対のインタクーラ１６，１７が直列に配置され、コンプレッサ１５の入口は機関によって駆動される機械式過給機１８を介してエアクリーナ１９に連結される。
【０００７】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド２０および排気管２１を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２２に連結される。排気マニホルド２０とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２３を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２３内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２４が配置される。各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【０００８】
電気制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２８の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、ＥＧＲ制御弁２４および燃料ポンプ２７に接続される。
【０００９】
図２は図１に示す排気タービン２２の断面を図解的に示している。図２を参照すると、５０は排気ガスが流入するスクロール室、５１はタービン翼車、５２はスクロール室５０からタービン翼車５１に向けて排気ガスが流れるディフューザ通路、５３はディフューザ通路５２内に配置された多数の可動ベーンを夫々示す。各可動ベーン５３はアクチュエータ（図示せず）によって同時に回動制御され、このアクチュエータは電子制御ユニット３０の出力信号により制御される。可動ベーン５３が回動せしめられるとタービン翼車５１への排気ガスの流入方向が変化し、その結果排気タービン２２の駆動力が変化するために過給圧が変化する。
【００１０】
一方、図１に示される機械式過給機１８は電子制御ユニット３０の出力信号により制御される電磁クラッチ（図示せず）を介して機関のクランクシャフトに連結されている。
次に図３を参照しつつ本発明による燃焼方法について説明する。なお、図３は機関低負荷中速運転時において本発明による燃焼方法を行うのに適した時期に燃料を噴射したときの熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の変化を示している。
【００１１】
図３において実線で示されるように燃料噴射が行われ、噴射燃料が燃焼室５内に分散すると分散した燃料粒子からは燃料中の低沸点成分が蒸発を開始する。次いでピストン４の上昇に伴い燃焼室５内の温度が７００°Ｋを越えると蒸発したて低沸点成分が化学反応を開始する。即ち、直鎖炭化水素の末端炭素を酸素ラジカルが攻撃し、その結果炭化水素ラジカルが生成される。次いでこの炭化水素ラジカルは周囲の酸素と反応し、その結果燃料粒子の周りにアルテヒドが次から次へと生成される。このようにアルデヒドが生成されている間、図３に示されるように熱発生率が増大する。
【００１２】
次いでピストン４の上昇に伴い燃焼室５内の温度が更に上昇すると次から次へと炭化水素ラジカルが生成される。この場合、これら炭化水素ラジカルの酸化作用が急速に進行すると高温酸化反応が生じ、燃料が着火されることになる。しかしながら上述したように燃料粒子の周りに多量のアルデヒドが生成されると一部の炭化水素ラジカルは周囲の酸素と反応する前にアルデヒドと反応し、その結果炭化水素ラジカルの酸化作用が抑制されることになる。即ち、アルデヒドは炭化水素の酸化反応を抑制するインヒビタの役割を果していることになる。
【００１３】
このように炭化水素の酸化反応が抑制されると熱発生率が低下し、斯くして図３に示されるように熱発生率は燃料噴射後、一時的に増大するがその後は少しずつ減少する。このようにアルデヒドが生成されているとき、および一部の炭化水素ラジカルがアルデヒドと反応しているときには熱炎を発生することなく酸化反応が行われており、このような酸化反応を低温酸化反応と称する。従って図３に示されるように本発明による燃焼方法においては燃料噴射後、圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）付近まで低温酸化反応が継続していることになる。
【００１４】
次いでピストン４が圧縮上死点を越え、下降を開始して燃焼室５内の圧力が低下すると燃料粒子から急激に燃料が蒸発し、このとき低温酸化反応により燃料が燃えやすい状態にあるので燃料が燃焼室５内の多点において同時に高温酸化反応を開始する。即ち、燃料が燃焼室５内の多点において同時に着火する。なお、この場合、圧縮上死点付近において着火することもある。このように燃料が着火するのは圧縮上死点付近又は圧縮上死点後であり、従って燃料が噴射されてから燃料が着火されるまで時間がある。従って噴射燃料は着火するまでの間に燃焼室５内に広く分散しており、燃焼室５内に広く分散した燃料が多点において同時に着火することになる。
【００１５】
このように燃焼室５内に燃料が広く分散した状態で燃料の燃焼が開始されると燃料粒子の周りに多量の酸素が存在するために煤の発生が抑制され、また燃焼室５内の燃焼温は局所的に高くなることなく全体的に低くなるのでＮＯｘ  の発生が抑制されることになる。
なお、燃料噴射時期を図３に示される噴射時期よりも早めると圧縮上死点に達するまでに低温酸化反応が停止するか、又は極めて弱まるために失火してしまう。これに対し、燃料噴射時期を図３に示される噴射時期よりも遅くすると燃料粒子が分散しないうちに酸化反応が開始されるので燃料粒子は隣接する燃料粒子の酸化反応熱を受けて高温になり、その結果圧縮上死点前に高温酸化反応を生じて早期着火をひき起す。
【００１６】
即ち、噴射燃料の低温酸化反応が圧縮上死点付近まで継続しかつ圧縮上死点後に高温酸化反応が生じる場合の最適な燃料噴射時期は一定範囲内に限られており、燃料噴射時期はこの限られた燃料噴射時期に設定する必要がある。図４（Ａ）は機関低負荷運転時におけるこの限られた最適な燃料噴射時期（θＳは噴射開始時期、θＥは噴射完了時期）を示している。なお、図４（Ａ）において縦軸はクランク角を示しており、横軸は機関回転数Ｎを示している。図４（Ａ）に示されるように機関低負荷運転時における最適な噴射時期はＮ＝６００ｒ．ｐ．ｍ  のときにほぼＢＴＤＣ１５°からほぼＢＴＤＣ２０°の間であり、Ｎ＝４０００ｒ．ｐ．ｍ  のときにほぼＢＴＤＣ２０°からほぼＢＴＤＣ４０°の間である。
【００１７】
一方、機関負荷が高くなって燃料噴射量が増大したときにも燃料噴射が行われると噴射燃料の低温酸化反応が開始される。しかしながら燃料噴射量が増大すると低温酸化反応による発熱量が増大するために圧縮上死点前に高温酸化反応が開始され、その結果燃焼騒音が発生するばかりでなく、多量の煤およびＮＯｘ  が発生する。即ち、燃料噴射量を増大すると良好な燃焼が得られなくなる。
【００１８】
そこでこの点に関し、本発明者が研究を重ねた結果、燃焼室５内の温度上昇を抑制しつつ燃焼室５内の圧縮圧力を増大すると低温酸化反応を抑制することができ、燃料噴射量が増大したときに燃焼室５内の温度上昇を抑制しつつ燃焼室５内の圧縮圧力を増大すると圧縮上死点に達するまで高温酸化反応が生ずることなく低温酸化反応が持続し、圧縮上死点後に高温酸化反応が生ずることが判明したのである。
【００１９】
即ち、燃焼室５内の圧縮圧力が増大すると燃焼室５内の酸素の絶対量が増大し、その結果燃焼室５内で発生する酸素ラジカルの量が増大する。酸素ラジカルの量が増大するとそれに伴なってアルデヒドの生成量が増大する。ところがアルデヒドは前述したように炭化水素の酸化反応を抑制するインヒビタの役目を果すので生成されるアルデヒドの量が増大すると低温酸化反応が抑制されることになる。
【００２０】
また、燃焼室５内の圧縮圧力が増大すると燃料の蒸発が抑制されるのでこの意味からも低温酸化反応が抑制される。
従って燃料噴射量が増大しても燃焼室５内の圧縮圧力を増大すれば低温酸化反応が抑制されることになる。なお、この場合、燃焼室５内の圧縮圧力を増大したときにそれに伴なって燃焼室５内の温度が上昇すると低温酸化反応が活発となり、圧縮上死点前に高温酸化反応が生じてしまう。従って、燃料噴射量が増大したときに低温酸化反応を抑制するためには燃焼室５内の温度上昇を抑制しつつ燃焼室５内の圧縮圧力を増大させる必要がある。
【００２１】
図５は、燃料噴射後低温酸化反応が持続し、圧縮上死点後に低温酸化反応から高温酸素反応に移行する場合における燃焼室５内への吸入ガス温Ｔおよび燃焼室５内への吸入ガス圧Ｐと要求負荷との関係を示している。図５に示されるように燃焼室５内への吸入ガス圧Ｐは要求負荷が高くなるにつれて増大せしめられ、これに対して燃焼室５内への吸入ガス温Ｔは要求負荷が高くなってもほぼ６０℃以下に保持されている。
【００２２】
本発明による実施例では図５に示されるように要求負荷が高くなるにつれて燃焼室５内への吸入ガス圧Ｐを指数関数的に増大させるために機械式過給機１８とコンプレッサ１５とが直列に配置されており、かつ機械式過給機１８の電磁クラッチおよび排気タービン２２の可動ベーン５３が制御される。また、本発明による実施例では図５に示されるように要求負荷が高くなっても燃焼室５内への吸入ガス温Ｔの温度上昇を抑制するために一対のインタクーラ１６，１７が直列に配置されている。
【００２３】
なお、図５に示される吸入ガス温Ｔおよび吸入ガス圧Ｐと要求負荷との関係は一例を示しており、これらの関係を一般的に表現すると吸入ガス圧Ｐは要求負荷が高くなるにつれて可能な限り増大せしめられ、吸入ガス温Ｔは要求負荷が高くなるにつれて可能な限り抑制されるということになる。
図４（Ｂ）は機関高負荷運転時における最適な燃料噴射時期（θＳは噴射開始時期、θＥは噴射完了時期）を示している。なお、図４（Ｂ）において縦軸はクランク角を示しており、横軸は機関回転数Ｎを示している。図４（Ｂ）に示されるように機関高負荷運転時における最適な噴射時期はＮ＝６００ｒ．ｐ．ｍ  のときにほぼＢＴＤＣ１５°からほぼＢＴＤＣ３５°の間であり、Ｎ＝４０００ｒ．ｐ．ｍ  のときにほぼＢＴＤＣ２０°からほぼＢＴＤＣ６０°の間である。
【００２４】
図５に示されるように吸入空気温Ｔおよび吸入空気圧Ｐを制御し、図４（Ｂ）に示されるように燃料噴射時期を設定すると機関高負荷運転時であっても噴射燃料の低温酸化反応が圧縮上死点付近まで継続しかつ圧縮上死点後に高温酸化反応が生じる。即ち、機関高負荷運転時であっても燃焼室５内の多点において燃料が同時に着火せしめられ、斯くして煤およびＮＯｘ  の発生が抑制される。
【００２５】
なお、図３に示されるように実線で示す燃料噴射が行われた後に圧縮上死点付近において破線で示す燃料噴射を追加的に行うこともできる。この場合には破線で示す追加の燃料噴射が行われたときに実線に示す噴射燃料と破線で示す追加の噴射燃料が高温酸化反応せしめられる。
図６に運転制御ルーチンを示す。図６を参照するとまず初めにステップ１００において機械式過給機１８の電磁クラッチが制御され、次いでステップ１０１において排気ターボチャージャ１４の可動ベーン５３が制御される。次いでステップ１０２では燃料噴射が制御される。
【００２６】
【発明の効果】
燃料噴射量が増大したときであっても低温酸化反応を持続させることができ、圧縮上死点付近又は圧縮上死点後に高温酸化反応を生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】排気タービンの断面図である。
【図３】燃料噴射と熱発生率を示す図である。
【図４】噴射時期を示す図である。
【図５】吸入ガス温Ｔおよび吸入ガス圧Ｐを示す図である。
【図６】運転制御を行うためのフローチャートである。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
１４…排気ターボチャージャ
１６，１７…インタクーラ
１８…機械式過給機
【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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