(57)【要約】【課題】幅広い領域で運転可能であってかつＮＯｘ排出量が少ないエンジンの燃焼制御装置及び均質希薄混合気の燃焼方法を提供すること。【解決手段】本発明の均質希薄混合気の燃焼方法は、エンジンの気筒内に均質かつ希薄な混合気を形成した後、この均質希薄混合気を火花点火することにより燃焼させる。圧縮上死点に相当する圧力条件下で筒内温度を変化させたときに層流燃焼速度に急峻が発生する温度を変曲点温度と定義し、本発明の燃焼方法では、均質希薄混合気を燃焼する際には、気筒内の圧縮上死点での筒内温度を変曲点温度より高くする。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒内に均質かつ希薄な混合気を形成する混合気形成手段と、
前記気筒内に設けられた火花点火手段と、を備え、前記混合気形成手段により形成された均質希薄混合気を前記火花点火手段で点火して燃焼する内燃機関の燃焼制御装置であって、
圧縮上死点に相当する圧力条件下で筒内温度を変化させたときに層流燃焼速度に急峻が発生する温度を変曲点温度と定義し、前記均質希薄混合気を燃焼する際における前記気筒内の圧縮上死点での筒内温度は前記変曲点温度より高いことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
前記変曲点温度における層流燃焼速度の急峻は、Ｈ２Ｏ２の分解反応により生じることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
前記均質希薄混合気を燃焼する際における前記気筒内の圧縮上死点での筒内温度は約１０００［Ｋ］以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の圧縮比は１２以上１５以下の範囲内に設定され、
前記混合気形成手段は、前記均質希薄混合気の空燃比を２５［Ａ／Ｆ］以上にすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
前記前記均質希薄混合気の燃焼時には排気の前記気筒内への還流を停止することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項６】
前記気筒内に導入される前の吸気を加熱する吸気加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項７】
前記火花点火手段は、圧縮上死点に至るまでの間に２以上の複数回の点火を行うことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項８】
内燃機関の気筒内に均質かつ希薄な混合気を形成した後、当該均質希薄混合気を火花点火することにより燃焼させる均質希薄混合気の燃焼方法であって、
圧縮上死点に相当する圧力条件下で筒内温度を変化させたときに層流燃焼速度に急峻が発生する温度を変曲点温度と定義し、前記均質希薄混合気を燃焼する際には、前記気筒内の圧縮上死点での筒内温度を前記変曲点温度より高くすることを特徴とする均質希薄混合気の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼制御装置及び均質希薄混合気の燃焼方法に関する。より詳しくは、均質かつ希薄な混合気を内燃機関の気筒内に形成し、この均質希薄混合気を火花点火して燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置及び均質希薄混合気の燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンの効率化の有効な手段として、混合気の空燃比を理論空燃比よりも希薄にする希薄燃焼が提案されている。希薄燃焼による排気中のＮＯｘは三元触媒で浄化できないため、希薄燃焼エンジンでは、エンジンから排出されるＮＯｘ量そのものを低減すること、すなわち燃焼限界空燃比（以下、「リーン限界」という）を向上することが重要となっている。
【０００３】
リーン限界を向上する技術の１つとして、筒内に設けられた点火プラグの近傍に比較的濃い混合気を成層配置することにより、筒内全体としては希薄な混合気を安定的に燃焼させる技術が提案されている（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１２２０１５号公報
【特許文献２】特開２００２−２５６９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながらこの技術では、燃焼前半に比較的濃い混合気が燃焼するため、リーン限界を向上できたとしても、これに応じた分だけＮＯｘ排出量を低減することはできない。一方、均質かつ希薄な予混合気を気筒内に形成し、これを自着火させるＨＣＣＩ燃焼と呼称される燃焼方法も提案されているが、安定した燃焼が可能な運転領域の狭さや環境変動に対する制御性の困難さなどが課題となっている。
【０００６】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、幅広い領域で運転可能であってかつＮＯｘ排出量が少ない内燃機関の燃焼制御装置及び均質希薄混合気の燃焼方法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】
【０００７】
（１）本発明は、内燃機関の気筒内に均質かつ希薄な混合気を形成する混合気形成手段と、前記気筒内に設けられた火花点火手段と、を備え、前記混合気形成手段により形成された均質希薄混合気を前記火花点火手段で点火して燃焼する内燃機関の燃焼制御装置であって、圧縮上死点に相当する圧力条件下で筒内温度を変化させたときに層流燃焼速度に急峻が発生する温度を変曲点温度と定義し、前記均質希薄混合気を燃焼する際における前記気筒内の圧縮上死点での筒内温度は前記変曲点温度より高いことを特徴とする。
【０００８】
（２）この場合、前記変曲点温度における層流燃焼速度の急峻は、Ｈ２Ｏ２の分解反応により生じることが好ましい。
【０００９】
（３）この場合、前記均質希薄混合気を燃焼する際における前記気筒内の圧縮上死点での筒内温度は約１０００［Ｋ］以上であることが好ましい。
【００１０】
（４）この場合、前記内燃機関の圧縮比は１２以上１５以下の範囲内に設定され、前記混合気形成手段は、前記均質希薄混合気の空燃比を２５［Ａ／Ｆ］以上にすることが好ましい。
【００１１】
（５）この場合、前記均質希薄混合気の燃焼時には排気の前記気筒内への還流を停止することが好ましい。
【００１２】
（６）この場合、前記気筒内に導入される前の吸気を加熱する吸気加熱手段をさらに備えることが好ましい。
【００１３】
（７）この場合、前記火花点火手段は、圧縮上死点に至るまでの間に２以上の複数回の点火を行うことが好ましい。
【００１４】
（８）本発明は、内燃機関の気筒内に均質かつ希薄な混合気を形成した後、当該均質希薄混合気を火花点火することにより燃焼させる均質希薄混合気の燃焼方法であって、圧縮上死点に相当する圧力条件下で筒内温度を変化させたときに層流燃焼速度に急峻が発生する温度を変曲点温度と定義し、前記均質希薄混合気を燃焼する際には、前記気筒内の圧縮上死点での筒内温度を前記変曲点温度より高くすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
（１）本発明では、混合気形成手段によって気筒内に形成された均質希薄混合気を火花点火手段で点火し燃焼する。この際、本発明では、圧縮上死点における筒内温度を所定の変曲点温度より高くすることにより、混合気の空燃比を十分に希薄（例えば、２４［Ａ／Ｆ］以上）にしながらも、安定した燃焼が可能な程度の層流燃焼速度を大きくできる。より具体的には、従来の均質希薄燃焼におけるリーン限界は１８［Ａ／Ｆ］程度であったところ、本発明によればこれを少なくとも３０［Ａ／Ｆ］程度まで向上できる。また均質な混合気を燃焼させることにより、空燃比を希薄にした分だけＮＯｘ排出量を低減できる。また、火花点火手段を利用することにより、ＨＣＣＩ燃焼とは異なり幅広い運転領域で安定して燃焼させることができる。
【００１６】
（２）本発明によれば、圧縮上死点における筒内温度を変曲点温度より高くすることにより、Ｈ２Ｏ２の分解反応によって生成されるＯＨラジカルを利用し、均質かつ希薄な混合気でも安定した燃焼が可能になる程度に層流燃焼速度を大きくできる。
【００１７】
（３）本発明によれば、圧縮上死点の筒内温度を約１０００［Ｋ］以上とすることにより、筒内温度を確実に変曲点温度より高くし、安定して均質かつ希薄な混合気を燃焼させることができる。
【００１８】
（４）本発明によれば、圧縮比を１２以上１５以下の範囲内に設定することにより、ノッキングが生じない程度に圧縮上死点における筒内温度を高くすることができる。したがって、圧縮上死点における筒内温度を変曲点温度より高くし易くできる。
【００１９】
（５）本発明では、均質希薄混合気を燃焼する際には排気の気筒内への還流を停止することにより、筒内温度が低下するのを防止できる。
【００２０】
（６）本発明では、吸気加熱手段で気筒内に導入される前の吸気を加熱することにより、様々な環境下で安定して圧縮上死点における筒内温度を変曲点温度より高くでき、ひいてはリーン限界を向上できる。
【００２１】
（７）本発明では、圧縮上死点に至るまでの間に複数回の点火を行うことにより、圧縮上死点における筒内温度を変曲点温度より高くでき、ひいてはリーン限界を向上できる。
【００２２】
（８）本発明によれば、上記（１）と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る試験機（組合せ例１−４）における混合気の空燃比と図示平均有効圧の変動率との関係を示すグラフである。
【図２】上記実施形態に係る試験機（組合せ例１−４）における混合気の空燃比とエンジン直下の排気のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。
【図３】上記実施形態に係る試験機（組合せ例１−４）における混合気の空燃比と圧縮上死点における筒内温度の平均値との関係を示すグラフである。
【図４】上記実施形態に係る試験機（組合せ例１）におけるクランク角度と筒内温度との関係を示す図である。
【図５】上記実施形態に係る試験機（組合せ例２）におけるクランク角度と筒内温度との関係を示す図である。
【図６】上記実施形態に係る試験機（組合せ例３）におけるクランク角度と筒内温度との関係を示す図である。
【図７】上記実施形態に係る試験機（組合せ例４）におけるクランク角度と筒内温度との関係を示す図である。
【図８】反応計算によって得られた初期筒内温度と層流燃焼速度との関係を示す図である。
【図９】初期筒内温度が変曲点温度より低い場合（９００［Ｋ］）における層流燃焼速度に寄与する素反応のうち、感度の絶対値で上位の４つを示す図である。
【図１０】初期筒内温度が変曲点温度より高い場合（１０００［Ｋ］）における層流燃焼速度に寄与する素反応のうち、感度の絶対値で上位の４つを示す図である。
【図１１】変曲点温度より高い領域で進行すると考えられるＨ２Ｏ２反応ループを模式的に示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る量産機における混合気の空燃比と図示平均有効圧の変動率との関係を示すグラフである。
【図１３】上記実施形態に係る量産機における混合気の空燃比とエンジン直下の排気のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。
【図１４】上記実施形態に係る量産機における混合気の空燃比と図示燃費消費率との関係を示すグラフである。
【図１５】上記実施形態に係る量産機におけるクランク角度と筒内温度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の均質希薄混合気の燃焼方法、及びこの燃焼方法を適用して構成される内燃機関（以下、単に「エンジン」という）の燃焼制御装置の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
本実施形態の単気筒エンジン及びその燃焼制御装置の諸元は、下記表１のようになっている。なお、本実施形態のエンジン及びその燃焼制御装置は、本発明の均質希薄混合気の燃焼方法の概念を明確にするために構成された試験機に相当する。この試験機によって明確にした本発明の燃焼方法の量産機への適用については、後に第２実施形態として詳細に説明する。
【表１】
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【００２６】
本実施形態の試験機では、気筒内に均質かつ希薄な混合気を形成する混合気形成手段として、量産機の燃料インジェクタを、エンジンの吸気弁から約１．５［ｍ］上流の位置に設けた。このように、吸気弁から十分に上流側の地点において燃料インジェクタから燃料を噴射することにより、燃料インジェクタで噴射した地点から吸気弁に至るまでの間に燃料と空気とを混合できるため、十分に均質かつ希薄な混合気を気筒内に形成することができる。
【００２７】
本実施形態の試験機では、気筒内に導入される前の吸気を加熱する吸気加熱手段として、吸気を加熱する吸気ヒータを吸気通路に設けた。この試験機では、吸気ヒータで吸気を加熱することにより、吸気温度、ひいては圧縮上死点における筒内温度を後述の変曲点温度より高くし、均質希薄混合気を安定して燃焼させることができる。
【００２８】
エンジンの圧縮比について説明する。圧縮上死点における筒内温度は圧縮比が大きくなるほど高くなるが、圧縮比が大きすぎるとノッキングが生じ易くなる。そこで、圧縮上死点における筒内温度を後述の変曲点温度より高くでき、かつノッキングが生じないようにするため、エンジンの圧縮比は、１２．０以上１５．０以下の範囲内に設定されることが好ましい。第１実施形態の試験機では、この範囲内のものとして圧縮比が１２．４のものと、１３．２のものとの２つを準備した。
【００２９】
表２は、組合せ例１−４のエンジンの燃焼制御装置を示す。
組合せ例１では、圧縮比が１２．４の試験機において、吸気ヒータにより吸気温度を５０℃まで加熱した。
組合せ例２では、圧縮比が１２．４の試験機において、吸気ヒータにより吸気温度を１００℃まで加熱した。
組合せ例３では、圧縮比が１３．２の試験機において、吸気ヒータにより吸気温度を５０℃まで加熱した。
組合せ例４では、圧縮比が１３．２の試験機において、吸気ヒータにより吸気温度を１００℃まで加熱した。
【表２】
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【００３０】
次に、各組合せ例１−４において混合気の空燃比を理論空燃比（約１５［Ａ／Ｆ］）よりも十分に希薄な領域で変化させることにより、それぞれの空燃比とリーン限界及びＮＯｘ排出量（エンジン直下の排気のＮＯｘ濃度）の下限との関係について検証する。
【００３１】
図１は、各組合せ例１−４における混合気の空燃比と図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）の変動率との関係を示すグラフである。本発明では、ＩＭＥＰ変動率をエンジンの燃焼不安定性を示す指標とし、ＩＭＥＰ変動率が６［％］以下であることをエンジンの燃焼安定性の基準として定義する。なお図１では、各組合せ例１−４において、上記燃焼安定性基準を満たしたものを白抜きの印で示し、燃焼安定性基準を満たさなかったものを黒色で塗りつぶした印で示す。
【００３２】
図１に示すように、何れの組合せ例も空燃比を希薄にするほど燃焼は不安定になる。また、ＩＭＥＰ変動率を６［％］以下にできる空燃比の最大値、すなわちリーン限界は各組合せ例１−４によって異なる。より具体的には、組合せ例１のリーン限界は約２５．３［Ａ／Ｆ］であり、組合せ例３のリーン限界は約２６．４［Ａ／Ｆ］であり、組合せ例２のリーン限界は約２７．１［Ａ／Ｆ］であり、組合せ例４のリーン限界は約２８．１［Ａ／Ｆ］であった。また、この図１に示す結果によれば、圧縮比及び吸気温度の両方が高い組合せ例４のリーン限界が最も大きい。したがって、筒内温度を高くすることは、リーン限界を向上するのに寄与しているといえる。
【００３３】
図２は、各組合せ例１−４における混合気の空燃比とエンジン直下の排気のＮＯｘ濃度［ｐｐｍ］との関係を示すグラフである。なお図２も同様に、各組合せ例１−４において、上記燃焼安定性基準を満たしたものを白抜きの印で示し、燃焼安定性基準を満たさなかったものを黒色で塗りつぶした印で示す。
【００３４】
図２に示すように、何れの組合せ例も十分に均質した混合気を気筒内に導入しているため、混合気が希薄になるほどＮＯｘ排出量は低下する。したがって、図２において破線で示すように、リーン限界が大きくなるほど、その時の排気のＮＯｘ濃度は低下することが検証された。特に、リーン限界が約２８．１［Ａ／Ｆ］となった組合せ例４では、ＮＯｘ濃度を２０［ｐｐｍ］以下まで低減できる。
【００３５】
図３は、各組合せ例１−４における混合気の空燃比と圧縮上死点における筒内温度の平均値（以下、「平均筒内温度」という）Ｔ＿ＴＤＣ［Ｋ］との関係を示すグラフである。以下の説明において筒内温度とは、具体的には気筒に設けられたピエゾセンサで計測した筒内圧力に基づいて算出されたものである。また、図３の平均筒内温度Ｔ＿ＴＤＣとは、圧縮上死点における筒内温度の２００サイクルにわたる平均値とする。なお、図３も図１、２と同様に、各組合せ例１−４において、上記燃焼安定性基準を満たしたものを白抜きの印で示し、燃焼安定性基準を満たさなかったものを黒色で塗りつぶした印で示す。
【００３６】
図３において破線で示すように、各組合せ例１−４では、混合気の空燃比を約２４．０［Ａ／Ｆ］以上の領域において希薄にするに従って平均筒内温度は低下する傾向がある。また特に、リーン限界の大きさによらず何れの組合せ例１−４でも平均筒内温度が約１１５０［Ｋ］以下になると燃焼が不安定になる。すなわち、この図３のグラフから、均質希薄混合気を燃焼する場合、圧縮上死点における筒内温度が、燃焼の安定性すなわちリーン限界と直接的に相関のあるパラメータとなることが示唆される。次に、筒内温度の履歴に基づいて、圧縮上死点における筒内温度とリーン限界との間の相関についてより詳細に検討する。
【００３７】
図４、図５、図６及び図７は、それぞれ組合せ例１、組合せ例２、組合せ例３及び組合せ例４におけるクランク角度ＣＡ［ｄｅｇ．］（圧縮上死点を０［ｄｅｇ．］とする）と、筒内温度Ｔ［Ｋ］との関係を示す図である。より具体的には、図４−７には、それぞれ各クランク角度における筒内温度を２００サイクルにわたってプロットして得られるグラフを示す。また各図４−７において、左側のグラフ（ａ）は、それぞれＩＭＥＰ変動率が６［％］より小さな安定燃焼時のものであり、右側のグラフ（ｂ）は、それぞれＩＭＥＰ変動率が６［％］より大きな不安定燃焼時のものである。
【００３８】
図４−７の左側のグラフ（ａ）に示すように、何れの組合せ例１−４においても、安定燃焼時は常に圧縮上死点の筒内温度は約１０００［Ｋ］を上回っている。
これに対し、図４−７の右側のグラフ（ｂ）に示すように、何れの組合せ例１−４においても、燃焼が不安定となる時は圧縮上死点の筒内温度は約１０００［Ｋ］を下回るサイクルが生じている。より詳しくは、圧縮上死点の筒内温度が約１０００［Ｋ］に達しないサイクルが生じると、その後の熱発生量は低下し、これがＩＭＥＰ変動率を増加させている原因となっていることが検証された。すなわち、気筒内の圧縮上死点での筒内温度を、後述の変曲点温度よりも高い約１０００［Ｋ］以上とすることにより、均質希薄混合気を安定して燃焼できることが検証された。
【００３９】
次に、圧縮上死点における筒内温度を約１０００［Ｋ］以上にした場合に均質希薄混合気を安定して燃焼させることができる理由を明らかにするために行ったシミュレーションの結果について説明する。より具体的には、上記試験機の圧縮上死点における筒内圧力条件下において、初期筒内温度ごとの層流燃焼速度を反応計算で算出した。シミュレーションの条件は、以下の通りである。
【００４０】
使用解析ソフト：Ｃｈｅｍｋｉｎ  Ｐｒｏ
使用反応モデル：ガソリンサロゲート反応モデル（橋本公太郎、越光男、三好明、村上能規、小口達夫、酒井康行、安東弘光、土屋健太郎、「ガソリン燃焼反応モデルの構築」、自動車技術会学術講演会前刷集、Ｎｏ．２９−１２、Ｐ２１−２４（２０１２）参照）
圧力条件：３ＭＰａ（試験機の圧縮上死点での筒内圧力に相当）
当量比：０．５（空燃比に換算して３０［Ａ／Ｆ］程度）
使用燃料：ＰＲＦ９０
【００４１】
図８は、上記反応計算によって得られた初期筒内温度［Ｋ］と層流燃焼速度［ｃｍ／ｓ］との関係を示す図である。
図８に示すように、層流燃焼速度は初期筒内温度が高くなるほど大きくなるが、約９６０［Ｋ］において急峻が発生することが明らかとなった。本発明では、圧縮上死点に相当する圧力条件下で筒内温度を変化させたときに層流燃焼速度に急峻が発生する温度を変曲点温度と定義する。
【００４２】
図９及び図１０は、それぞれ、初期筒内温度が上記変曲点温度より低い９００［Ｋ］である場合と、初期筒内温度が上記変曲点温度より高い１０００［Ｋ］である場合における層流燃焼速度に寄与する素反応のうち、感度の絶対値で上位の４つを示す図である。
【００４３】
図９に示すように、初期筒内温度が変曲点温度より低い場合、主に酸素・水素反応と、一酸化炭素反応とが層流燃焼速度に正に寄与している。これは、通常の火炎反応と同じである。
【００４４】
一方、図１０に示すように、初期筒内温度が変曲点温度を超えると、Ｈ２Ｏ２の分解反応が生じ、これが層流燃焼速度に正に寄与している。すなわち、筒内温度を上昇させると、変曲点温度の近傍からＨ２Ｏ２の分解反応が生じるようになり、これによって生成されるＯＨラジカルが層流燃焼速度の増大に大きく寄与していると考えられる。より具体的には、筒内温度が変曲点温度を超えると、Ｈ２Ｏ２が分解することによってＯＨラジカルが生成された後、さらに発熱反応を通じてＨ２Ｏ２が再生産されるＨ２Ｏ２反応ループ（図１１参照）が進行し、これにより層流燃焼速度が増大しているものと考えられる。なお、図１１のＨ２Ｏ２反応ループは、トータルでは下記式のようにホルムアルデヒドが酸化されて発熱する反応となっている。
２ＣＨ２Ｏ＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ＋４７３［ｋＪ］
【００４５】
以上をまとめると、本発明では、圧縮上死点における筒内温度を変曲点温度より高い温度にしてＨ２Ｏ２の分解反応を生じさることによって層流燃焼速度を十分に大きくし、均質かつ希薄な混合気でも安定して燃焼させることができる。
【００４６】
なお、図８−１０に示す結果は、当量比が０．５の下での反応計算に基づくものであるが、当量比を変化させても上記変曲点温度は大きくは変化しないと考えられる。したがって、本実施形態の試験機の組合せ例４のリーン限界は約２８．１［Ａ／Ｆ］であったが（図１参照）、例えば吸気ヒータでさらに高い温度まで吸気を加熱したり、エンジン圧縮比を高めるなどしたりすることにより、リーン限界はさらに向上できると考えられる。
【００４７】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照しながら説明する。
上記第１実施形態の試験機では、筒内温度を高くするための手段として、気筒内に導入される前の吸気を加熱する吸気ヒータを用いた。しかしながら、走行中の車両において吸気の温度を正確に制御するのは技術的に難しく、量産機には適していない。そこで第２実施形態では、筒内温度を高くするための手段として吸気ヒータ以外の手段を用いた、より量産機に適したものについて説明する。
【００４８】
本実施形態の単気筒エンジン及びその燃焼制御装置の諸元は、下記表３のようになっている。
【表３】
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【００４９】
本実施形態の量産機では、気筒内に均質かつ希薄な混合気を形成する混合気形成手段として、微粒化ノズルを備えた燃料インジェクタを、気筒外の吸気ポートに設けた。第１実施形態の試験機と比較すれば、燃料を噴射する地点から気筒までの距離は短くなるものの、微粒化ノズルを備えた燃料インジェクタを用いることにより、気筒内には十分に均質な混合気を形成することができる。
【００５０】
本実施形態の量産機では、筒内温度を高くする手段として、第１実施形態で説明した吸気ヒータの代わりに、多重点火式の点火装置を用いた。すなわち、圧縮上死点に至るまでの間に２以上の複数回にわたって点火を行うことにより、吸気ヒータを用いずとも圧縮上死点における筒内温度を約１０００［Ｋ］まで上昇させることができる。
【００５１】
次に、以上のような量産機において混合気の空燃比を理論空燃比よりも十分に希薄な領域で変化させることにより、空燃比とリーン限界及びＮＯｘ排出量の下限との関係について検証する。
【００５２】
図１２は、本実施形態の量産機における混合気の空燃比とＩＭＥＰの変動率との関係を示すグラフである。
図１３は、本実施形態の量産機における混合気の空燃比とエンジン直下の排気のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。
図１４は、本実施形態の量産機における混合気の空燃比と図示燃費消費率（ＩＳＦＣ）との関係を示すグラフである。
なお、気筒に導入される前の吸気の温度は５０℃であった。また、これら図１２−１４では、上記量産機において、燃焼安定性基準を満たしたものを白抜きの印で示し、燃焼安定性基準を満たさなかったものを黒色で塗りつぶした印で示す。
【００５３】
図１２に示すように、本実施形態の量産機によれば、リーン限界は約３０．０［Ａ／Ｆ］となった。また、図１３に示すように、十分に希薄にした混合気を気筒内に導入しているため、第１実施形態と同様に空燃比が希薄になるほどＮＯｘ排出量は低下する。また、図１４に示すように本実施形態の量産機によれば、図示燃費消費率を悪化させることなく空燃比を希薄にできる。
【００５４】
図１５は、本実施形態の量産機におけるクランク角度ＣＡ［ｄｅｇ．］と、筒内温度Ｔ［Ｋ］との関係を示す図である。より具体的には、図１５は、各クランク角度における筒内温度を２００サイクルにわたってプロットして得られるグラフを示す。また、図１５の左側のグラフ（ａ）は、ＩＭＥＰ変動率が６［％］より小さくなる空燃比が３０．０［Ａ／Ｆ］の時のものであり、右側のグラフ（ｂ）は、ＩＭＥＰ変動率が６［％］より大きくなる３０．５［Ａ／Ｆ］の時のものである。
【００５５】
図１５の（ａ）に示すように、安定燃焼時における圧縮上死点での筒内温度は、第１実施形態と同様に常に約１０００［Ｋ］を上回っている。
これに対し、図１５の（ｂ）に示すように、燃焼が不安定となる時は圧縮上死点の筒内温度が約１０００［Ｋ］を下回るサイクルが生じている。したがって、表３に示すような量産機においても、気筒内の圧縮上死点での筒内温度を変曲点温度よりも高い約１０００［Ｋ］以上とすることにより、均質希薄混合気を安定して燃焼できることが検証された。
【００５６】
以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。
例えば、上記実施形態では単気筒のエンジンを用いた場合について説明したが、本発明の燃焼方法は、どのような気筒数のエンジンにも適用できる。また、上記実施形態では、エンジン運転条件について、エンジン回転速度を１５００［ｒｐｍ］とし、図示平均有効圧を３００［ｋＰａ］とした場合について説明したが、本発明はこれに限らずどのような運転領域でも適用できる。
【００５７】
また、図８−１０に示すシミュレーション結果は、当量比が０．５の下での反応計算に基づくものであるが、例えば当量比を変化させても上記変曲点温度の大きさは大きくは変化しないと考えられる。したがって、第１実施形態の試験機のリーン限界は約２８．１［Ａ／Ｆ］であり、第２実施形態の量産機のリーン限界は約３０．０［Ａ／Ｆ］であったが、これらリーン限界は、例えば圧縮上死点における筒内温度を高くすることにより、さらに大きくできる。
【００５８】
また、気筒内に均質な混合気を形成するため、第１実施形態では吸気ポートから十分に離れた位置から燃料を噴射し、第２実施形態では微粒化ノズルを備えた燃料インジェクタで燃料を噴射したが、本発明において気筒内に均質な混合気を形成する手段はこれらに限らない。例えば、燃料インジェクタを気筒内に設けた場合でも、吸気工程中など早期に燃料を噴射して予混合させる期間を設けることにより、十分に均質な混合気を気筒内に形成することができる。
【００５９】
また、圧縮上死点における筒内温度を変曲点温度より高い温度にするため、第１実施形態では圧縮比を高めにするとともに吸気ヒータを用い、第２実施形態では圧縮比を高めにするとともに多重点火方式の点火装置を用いたが、本発明において筒内温度を高くする手段はこれらに限らない。例えば、筒内流動を強くすると火炎面面積が大きくなるので、これにより筒内温度を高くすることもできる。
【００６０】
また、本発明の燃焼方法によって均質希薄混合気を燃焼する際には、筒内温度が低下しないように、排気の気筒内への還流は停止することが好ましい。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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