(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する内燃機関において、
前記内燃機関が、前記燃料の一部を少なくとも加熱又は冷却して温度差を有する高温側燃料と低温側燃料を生成する温調機構を有し、
前記燃料噴射ノズルが、前記高温側燃料を噴射する燃料噴射孔と、前記低温側燃料を噴射する燃料噴射孔を有するとともに、
前記燃焼室内に吸気された吸入空気が圧縮される過程で、高温側燃料及び低温側燃料を前記燃焼室内に噴射して予混合気を生成する制御をすることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記温調機構が、前記燃料を前記内燃機関の排熱で加熱して前記高温側燃料を生成する加熱ライン、又は、前記燃料を前記内燃機関に併設した冷却装置により冷却して前記低温側燃料を生成する冷却ラインの少なくとも一方を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する内燃機関の制御方法において、
前記内燃機関が、前記燃料の一部を加熱又は冷却して温度差を有する高温側燃料と低温側燃料を生成する温調機構を有し、前記燃料噴射ノズルが、前記高温側燃料を噴射する燃料噴射孔と、前記低温側燃料を噴射する燃料噴射孔を有しており、
前記温調機構が、前記燃料の一部を少なくとも加熱又は冷却し、前記高温側燃料及び前記低温側燃料を生成するステップと、
前記燃焼室内に吸気された吸入空気が圧縮される過程で、前記燃料噴射ノズルが、前記高温側燃料及び前記低温側燃料を燃焼室内に噴射して予混合気を生成するステップと、
圧縮により前記高温側燃料に対応する予混合気が燃焼を開始するステップと、
圧縮により前記低温側燃料に対応する予混合気が燃焼を開始するステップを有することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射する内燃機関及び内燃機関の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関では、燃焼室内に空気と燃料を供給して混合させ、その後、圧縮や点火プラグによる点火等により燃料に着火する制御を行っている（以下、予混合燃焼方式という）。この予混合燃焼方式では、空気に加え、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室に供給するように構成されているものがある。このＥＧＲガスを供給する予混合燃焼方式では、従来の燃焼に比べ混合気の予混合度が上がるため、スモークの排出量を抑制し、且つＮＯｘの排出量を抑制することができていた。
【０００３】
また、異なる温度を有する２種類のＥＧＲガスを準備し、この供給比率を制御し、燃焼室に供給されるＥＧＲガスの温度を調整する構成が開示されている（例えば特許文献１参照）。この構成により、ディーゼルエンジンの運転状態が、暖機運転時、低負荷運転時、及び高負荷運転時等のいずれの場合であっても、予混合気の着火タイミングを適切に制御することができていた。これは、燃焼室に供給されるＥＧＲガスの温度制御により、予混合気全体の温度を制御することができるからである。
【０００４】
しかしながら、従来の予混合燃焼方式を採用したディーゼルエンジンは、燃焼騒音が大きいという問題を有している。これは、燃焼室内の予混合気が一気に着火し、鋭い圧力上昇が発生するからである。そのため、この予混合燃焼方式は、特に燃焼騒音が大きくなる高負荷運転時に採用することが困難であった。
【０００５】
他方で、一部の燃料を酸化触媒で酸化させてオクタン価を下げ、着火タイミングの異なる２種類の燃料を、燃焼室に供給する構成が開示されている（例えば特許文献２参照）。この構成により、燃焼室内の予混合気が一気に着火することを防止することができる。つまり、予混合気の燃焼の緩慢化を実現し、燃焼騒音を抑制することができていた。しかしながら、この構成は、ディーゼルエンジンの製造コストが増加するという問題を有している。これは、燃料を酸化させるための酸化触媒等を、ディーゼルエンジンに設置しなくてはならないからである。
【０００６】
また、この構成は、燃費が悪化するという問題を有している。これは、燃料が酸化触媒により酸化される際に、そのエネルギの一部を失ってしなうからである。つまり、燃料が保持するエネルギは、酸化により低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２６６５５号公報
【特許文献２】特開２００８−６９６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、予混合燃焼方式を採用した内燃機関及び内燃機関の制御方法において、内燃機関の燃焼騒音を抑制し、且つ、内燃機関の製造コストの上昇及び燃費の悪化を抑制することができる内燃機関及び内燃機
関の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する内燃機関において、前記内燃機関が、前記燃料の一部を少なくとも加熱又は冷却して温度差を有する高温側燃料と低温側燃料を生成する温調機構を有し、前記燃料噴射ノズルが、前記高温側燃料を噴射する燃料噴射孔と、前記低温側燃料を噴射する燃料噴射孔を有するとともに、前記燃焼室内に吸気された吸入空気が圧縮される過程で、高温側燃料及び低温側燃料を前記燃焼室内に噴射して予混合気を生成する制御をすることを特徴とする。
【００１０】
この構成により、予混合気が一気に着火することを防止し、燃焼騒音を抑制することができる。これは、噴射される低温側燃料と高温側燃料の温度差から、着火タイミングに差が生じ、燃焼が緩慢化されるからである。
【００１１】
また、内燃機関の出力を向上することができる。これは、高負荷運転時であっても、予混合気を生成し、燃焼させ、投入熱量を増加させることができるからである。つまり、内燃機関の運転状態の広い範囲にわたって、予混合燃焼方式を採用することができる。
【００１２】
更に、燃料に温度差を設ける構成により、予混合気を生成した際であっても、予混合気の温度が均一になる前に着火に至るため、燃焼の緩慢化を実現することができる。
【００１３】
加えて、燃費を悪化させずに、予混合気の燃焼の緩慢化を実現することができる。これは、上記の構成において、燃料が酸化され、そのエネルギの一部を失ってしまう工程が存在しないためである。
【００１４】
上記の内燃機関において、前記温調機構が、前記燃料を前記内燃機関の排熱で加熱して前記高温側燃料を生成する加熱ライン、又は、前記燃料を前記内燃機関に併設した冷却装置により冷却して前記低温側燃料を生成する冷却ラインの少なくとも一方を有していることを特徴とする。
【００１５】
この構成により、内燃機関の製造コストを増加することなく、予混合気の燃焼の緩慢化を実現することができる。これは、高温側燃料を内燃機関自体の排熱又は排気ガスの熱等により加熱して、例えば６００Ｋ程度とし、低温側燃料を冷却装置により冷却して例えば２７３Ｋ程度とすることができるためである。つまり、燃料を酸化する酸化触媒等を設置する必要がないためである。
【００１６】
ここで、高温側燃料を６００Ｋ程度とし、低温側燃料を常温の３００Ｋ程度とすることもできる。また、高温側燃料を常温の３００Ｋ程度とし、低温側燃料を２７３Ｋ程度とすることもできる。
【００１７】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の制御方法は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する内燃機関の制御方法において、前記内燃機関が、前記燃料の一部を加熱又は冷却して温度差を有する高温側燃料と低温側燃料を生成する温調機構を有し、前記燃料噴射ノズルが、前記高温側燃料を噴射する燃料噴射孔と、前記低温側燃料を噴射する燃料噴射孔を有しており、前記温調機構が、前記燃料の一部を少なくとも加熱又は冷却し、前記高温側燃料及び前記低温側燃料を生成するステップと、前記燃焼室内に吸気された吸入空気が圧縮される過程で、前記燃料噴射ノズルが、前記高温側燃料及び前記低温側燃料を燃焼室内に噴射して予混合気を生成するステップと、圧縮により前記高温側燃料に対応する予混合気が燃焼を開始するステップと、圧縮により前記低温側燃料に対応する予混合気が燃焼を開始するステップを有することを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る内燃機関及び内燃機関の制御方法によれば、予混合燃焼方式を採用した内燃機関及び内燃機関の制御方法において、内燃機関の燃焼騒音を抑制し、且つ、内燃機関の製造コストの上昇及び燃費の悪化を抑制することができる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の概略を示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の内燃機関の燃焼室の平面の概略を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の内燃機関の燃焼特性の解析結果を示したグラフである。
【図４】本発明に係る実施の形態の内燃機関の熱交換部の概略を示した図である。
【図５】本発明に係る異なる実施の形態の内燃機関の熱交換部の概略を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について説明する。図１に、内燃機関１の概略を示す。内燃機関１は、燃料タンク６と、燃料の一部を加熱又は冷却して温度差を有する高温側燃料ｆｈと低温側燃料ｆｃを生成する温調機構４と、燃料を燃焼室２内に噴射する燃料噴射ノズル３と、ピストン７を有している。
【００２１】
この温調機構４は、燃料を加熱して高温側燃料ｆｈを生成する加熱ライン１１と、燃料を冷却して低温側燃料ｆｃを生成する冷却ライン１２を有している。この加熱ライン１１は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関の本体の排熱や、排気ガスｇoutの熱により
、熱交換部１３を介して燃料を加熱する構成を有している。この熱交換部１３で加熱された燃料は、高温側燃料ｆｈとなって燃料噴射ノズル３に送られる。
【００２２】
また、冷却ライン１２は、例えばラジエータやインタークーラ等の冷却装置２２の冷却水回路２３を循環する冷却水ｗｃにより、熱交換部１３を介して燃料を冷却する構成を有している。この熱交換部１３で冷却された燃料は、低温側燃料ｆｃとなって燃料噴射ノズル３に送られる。この燃料噴射ノズル３は、高温側燃料ｆｈと低温側燃料ｆｃをそれぞれ独立して噴射するための燃料噴射孔５を有している。
【００２３】
なお、温調機構４は、図１に示すように加熱ライン１１及び冷却ライン１２の両方を有するように構成してもよいが、一方のみを有するように構成することもできる。例えば、温調機構４が加熱ライン１１のみを有する場合は、加熱ライン１１で加熱された後に燃料噴射ノズル３に送られる燃料を高温側燃料ｆｈとし、常温のまま燃料噴射ノズル３に送られる燃料を低温側燃料ｆｃとすることができる。
【００２４】
また、温調機構４が冷却ライン１２のみを有する場合は、冷却ライン１２で冷却された後に燃料噴射ノズル３に送られる燃料を低温側燃料ｆｃとし、常温のまま燃料噴射ノズル３に送られる燃料を高温側燃料ｆｈとする。
【００２５】
更に、熱交換部１３は、燃料の加熱又は冷却を行える構成を有していればよく、既存の熱交換技術を適用することができる。
【００２６】
次に、内燃機関１の作動について説明する。燃料タンク６の燃料の一部は、温調機構４を構成する加熱ライン１１を介して燃料噴射ノズル３に供給される。この燃料は、加熱ライン１１に設置した熱交換部１３で、内燃機関本体の排熱又は排気ガスｇｏｕｔ等の熱を
受けて加熱され高温側燃料ｆｈとなる。同様に、燃料タンク６の燃料の一部は、温調機構４を構成する冷却ライン１２を介して燃料噴射ノズル３に供給される。この燃料は、冷却ライン１２に設置した熱交換部１３で、ラジエータやインタークーラ等の冷却装置２２を循環する冷却水ｗｃで冷却され低温側燃料ｆｃとなる。
【００２７】
次に、燃焼室２内に吸気された吸入空気ｇｉｎが圧縮される過程で、高温側燃料ｆｈ及び低温側燃料ｆｃが、それぞれ独立した燃料噴射孔５から燃焼室２内に噴射される。ここで、吸入空気ｇｉｎは、外気の他に、ＥＧＲガスを含むように構成することが望ましい。
【００２８】
図２に、燃料を噴射した際の燃焼室２の平面の概略を示す。内燃機関１は、燃焼室２と、燃焼室２の中央に配置された燃料噴射ノズル３を有している。この燃料噴射ノズル３は、例えば８つの燃料噴射孔５を有している。各燃料噴射孔５からは、高温側燃料ｆｈ及び低温側燃料ｆｃがそれぞれ噴射される。
【００２９】
ここで、高温側燃料ｆｈ又は低温側燃料ｆｃに対応する燃料噴射孔５は、交互に配置されるように構成することが望ましい。また、燃料噴射ノズル３は、少なくとも２つの燃料噴射孔５を有する構成であればよく、本発明は図２の構成に限定されない。
【００３０】
次に、燃焼室２内における混合気の着火について説明する。まず、燃焼室２内に噴射された高温側燃料ｆｈ又は低温側燃料ｆｃは、吸入空気ｇｉｎと共に圧縮される。燃焼室２内の圧力上昇に伴い、高温側燃料ｆｈと吸入空気ｇｉｎの予混合気が着火する。これは、高温側燃料ｆｈは、燃料自体の温度が高く着火しやすいからである。その後、低温側燃料ｆｃと吸入空気ｇｉｎの予混合気が遅れて着火する。
【００３１】
図３に、内燃機関の燃焼特性の解析結果を示す。図３は、縦軸を燃焼室２内の圧力（ＭＰａ）又は熱発生速度（Ｊ／ｄｅｇ）とし、横軸をクランク角（ｄｅｇ．ＡＴＤＣ）としている。この熱発生速度は、燃焼騒音の大きさと比例関係にあるといえる。また、実線は、本発明の実施例３０を示しており、高温側燃料ｆｈの温度を６００Ｋ、低温側燃料ｆｃの温度を３００Ｋ（常温）とした場合の解析結果を示している。更に、比較例として、温調機構４を有さない内燃機関で、燃料を供給した場合の解析結果を示す。破線は、燃料の温度を６００Ｋとした場合の第１の比較例３１を示しており、一点鎖線は、燃料の温度を３００Ｋとした場合の第２の比較例を示している。なお、燃料噴射時期が３１ｄｅｇ．ＢＴＤＣ、噴射期間が７ｄｅｇとなるように設定し、各条件で解析を行った。
【００３２】
図３の下方に示すように、予混合気が着火した際の熱発生速度のピークは、３００Ｋと６００Ｋの燃料を独立して供給する本発明の実施例３０の場合が最も小さくなることがわかる。具体的には、実施例３０の熱発生速度のピークは、供給される燃料の全量を６００Ｋとした第１の比較例３１と比べて約１３％、供給される燃料の全量を３００Ｋとした第２の比較例３２と比べて約２４％低下する。つまり、実施例３０は、混合気の燃焼を緩慢化し、燃焼騒音を抑制できることがわかる。
【００３３】
また、図３の上方に示すように、この実施例３０において、燃焼室２内の圧力のピークは、第１及び第２の比較例３１、３２と同程度である。つまり、この実施例において、燃料から取り出す運動エネルギの低下等は発生しないことがわかる。
【００３４】
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、燃焼騒音を抑制することができる。これは、燃焼室２に噴射される高温側燃料ｆｈと低温側燃料ｆｃの温度差から、着火タイミングに差が生じ、燃焼が緩慢化されるからである。そのため、従来は予混合燃焼方式を採用することが困難であった高負荷運転時であっても、予混合燃焼方式を採用することが可能となる。
【００３５】
第２に、内燃機関の製造コストを増加することなく、予混合気の燃焼の緩慢化を実現することができる。これは、燃料を酸化する酸化触媒等を設置する必要がないためである。
【００３６】
第３に、内燃機関の燃費を悪化させることなく、予混合気の燃焼の緩慢化を実現することができる。これは、燃焼の緩慢化のために、新たなエネルギの消費や、燃料の酸化によるエネルギ量の低下等が発生しないからである。
【００３７】
なお、高温側燃料ｆｈと低温側燃料ｆｃの温度は、特に限定されないが、高温側燃料ｆｈと低温側燃料ｆｃの温度差が大きいほど、燃焼が緩慢になるためこの温度差を大きくすることが望ましい。
【００３８】
図４に、熱交換部の構成の１例を示す。熱交換部１３Ａは、冷却水ｗｃを循環するラジエータやインタークーラ等の冷却水回路２３の一部に挿入した金属製の伝熱管１５と、燃料を供給する冷却ライン１２の一部に挿入した金属製の接触管１６と、伝熱管１５と接触管１６の接触を維持して固定する金属製のバンド１７を有している。この伝熱管１５、接触管１６及びバンド１７は、熱伝導率の高い材料を使用することが望ましい。具体的には、例えばアルミニウムや銅、又はそれらの合金等を使用することができる。
【００３９】
また、接触管１６は、両端が曲げられている管を採用することが望ましい。この構成により、燃料パイプ（冷却ライン１２）の取り回しが容易になり、且つ、接触管１６と伝熱管１５の接触面積を大きく確保することができ、熱交換効率を向上できるからである。更に、熱交換部１３Ａの熱交換効率を向上するために、接触管１６と伝熱管１５が、楕円形や長方形の断面積を有するように構成し、接触面積を拡大することもできる。
【００４０】
冷却ライン１２を流れる燃料は、接触管１６、伝熱管１５及びバンド１７を介して冷却される。なお、熱交換部１３Ａを構成する接触管１６は、冷却水回路２３に設置された伝熱管１７の他に、図１に示す排気ガス通路２１やディーゼルエンジン等の筐体に直接接触させるように構成してもよい。この場合、燃料は加熱される。
【００４１】
図５に、熱交換部の異なる実施例を示す。熱交換部１３Ｂは、上記と同様の伝熱管１５と、伝熱管１５の周囲に燃料を接触させるための接触ジャケット１８を有している。この接触ジャケット１８に供給された燃料は、伝熱管１５と直接熱交換を行うことができる。そのため、接触ジャケット１８は、図４に示す接触管１６と比べると、製造コストは上昇してしまうが、熱交換効率を更に向上することができる。
【００４２】
以上より、予混合燃焼方式を採用した内燃機関及び内燃機関の制御方法において、内燃機関の燃焼騒音を抑制し、且つ、内燃機関の製造コストの上昇及び燃費の悪化を抑制することができる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供することができる。なお、本発明は、従来のディーゼルエンジン等の内燃機関に対しても、燃料噴射ノズル３の交換、熱交換部１３の設置及び燃料パイプ（加熱ライン１１及び冷却ライン１２）の取り回しの変更のみで、燃焼騒音の低減を実現することができる。また、本発明はディーゼルエンジンの他に、ガソリンエンジン等にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１     内燃機関
２     燃焼室
３     燃料噴射ノズル
４     温調機構
５     燃料噴射孔
１１   加熱ライン
１２   冷却ライン
２２   冷却装置
ｆｈ   高温側燃料
ｆｃ   低温側燃料
【図１】
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【図２】
0005991035.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005991035.tif 000006