(57)【要約】【課題】従来より負荷の高い運転条件下においても大幅な燃費悪化を招くことなく予混合圧縮着火を実現し得るようにした圧縮着火エンジンを提供する。【解決手段】圧縮上死点より早いタイミングで燃料噴射を実行し、燃料の予混合化を促進してから燃焼室３内で着火燃焼させるようにした圧縮着火エンジン（ディーゼルエンジン１）に関し、気筒内における圧縮時及び燃焼時の熱を吸収し易い適宜位置に装備された蓄熱材１０と、排気弁５及び吸気弁７の開閉時期を変更する可変バルブタイミング機構（アクチュエータ１１，１２）と、排気弁５の開時期を通常エンジンの開時期よりも遅延させるよう前記可変バルブタイミング機構を制御する制御装置９とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮上死点より早いタイミングで燃料噴射を実行し、燃料の予混合化を促進してから燃焼室内で着火燃焼させるようにした圧縮着火エンジンであって、気筒内における圧縮時及び燃焼時の熱を吸収し易い適宜位置に装備された蓄熱材と、排気弁及び吸気弁の開閉時期を変更する可変バルブタイミング機構と、排気弁の開時期を通常エンジンの開時期よりも遅延させるよう前記可変バルブタイミング機構を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする圧縮着火エンジン。
【請求項２】
制御装置が吸気弁の閉時期も通常エンジンの閉時期より遅延させるよう可変バルブタイミング機構を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項３】
制御装置が吸気弁の開時期も通常エンジンの開時期より遅延させるよう可変バルブタイミング機構を制御するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項４】
吸気弁及び排気弁を応答性の良いアクチュエータにより開弁操作し得るように可変バルブタイミング機構が構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の圧縮着火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車のディーゼルエンジンなどでは、排気側から排出ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排出ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排出ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を採用したものがある。
【０００３】
ただし、排出ガスの再循環によりＮＯxの低減化を図ることは、気筒内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にあるので、黒煙の発生を抑制する観点から排出ガスの再循環量に制限がかかるという不具合があり、単純に排出ガスの再循環を行うだけで大幅なＮＯxの低減化を図ることは困難である。
【０００４】
このため、近年においては、通常であれば圧縮上死点近辺で行われるべき燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行い、気筒内への燃料の先行投入により燃料の予混合化を促進してから着火燃焼させて黒煙の発生を抑制するようにした予混合圧縮着火の採用が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−１０７７９２号公報
【０００５】
即ち、このような予混合圧縮着火を採用して燃焼を行うと、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で燃焼が行われることになるので、燃焼温度が比較的低く抑制されてＮＯxの発生が少なくなり、しかも、局所的に燃料の濃い部分が生じ難くなって黒煙の発生を抑制する上でも有効となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、斯かる予混合圧縮着火を採用した場合、燃料の投入タイミングを圧縮上死点より早めても、その着火については圧縮上死点付近で行われることが望ましいが、通常のエンジンの圧縮比では、圧縮上死点より早いタイミングで着火する過早着火が起こって熱効率的な損失が生じるという問題があり、特にエンジン温度が高くなる高負荷の運転条件では、圧縮に伴い混合気の温度が早期に着火温度に達してしまうので、圧縮上死点よりもかなり早いタイミングで過早着火が起こって大幅な燃費悪化を招いてしまう結果となり、現状では低負荷の運転条件でしか予混合圧縮着火を採用する目処が立っていないのが実情である。
【０００７】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、従来より負荷の高い運転条件下においても大幅な燃費悪化を招くことなく予混合圧縮着火を実現し得るようにした圧縮着火エンジンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、圧縮上死点より早いタイミングで燃料噴射を実行し、燃料の予混合化を促進してから燃焼室内で着火燃焼させるようにした圧縮着火エンジンであって、気筒内における圧縮時及び燃焼時の熱を吸収し易い適宜位置に装備された蓄熱材と、排気弁及び吸気弁の開閉時期を変更する可変バルブタイミング機構と、排気弁の開時期を通常エンジンの開時期よりも遅延させるよう前記可変バルブタイミング機構を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
このようにすれば、圧縮時に蓄熱材に熱が吸収されて圧縮温度が下がり、これにより燃料の過早着火が抑制されて着火時期が圧縮上死点付近まで遅延され、しかも、着火時に蓄熱材に発熱量の一部が吸収されて燃焼温度が抑えられる結果、予混合圧縮着火による燃焼温度の抑制作用と相まってＮＯx生成が効果的に抑制される。
【００１０】
また、着火時に蓄熱材に発熱量の一部が吸収されることで冷炎期間が延ばされて熱炎移行が遅れ、しかも、熱炎移行後も温度上昇が抑えられて燃焼期間が延ばされるので、燃焼速度が抑制されて燃焼が緩慢化されることにより燃焼騒音が低減される。
【００１１】
そして、蓄熱材に回収された熱については、該蓄熱材が装備されたピストンなどの構造体に逃がされることに加え、制御装置に制御される可変バルブタイミング機構で排気弁の開時期が通常エンジンの開時期よりも遅延されることにより効果的に気筒外へ除去されることになる。
【００１２】
即ち、可変バルブタイミング機構により排気弁の開時期が通常エンジンの開時期よりも遅延されると、膨張行程の末期が延長されて膨張比が高められ、断熱膨張により膨張行程末期の筒内温度が通常膨張比の場合よりも降下して蓄熱材温度も一緒に下がり、ここで排気弁が開いて排出ガスが熱を持ったまま気筒外へ排出されることで蓄熱材の熱が効果的に除去されるので、通常膨張比の場合よりも低い温度まで蓄熱材温度が降下することになる。
【００１３】
更に、このような排気弁の開時期の遅延に併せて、吸気弁の閉時期も通常エンジンの閉時期より遅延させるように制御装置で可変バルブタイミング機構を制御すると、吸気弁の閉時期の遅延により実質的な圧縮開始時点が遅れ、該圧縮開始時点での筒内容積が本来より少なくなる結果、通常エンジンの開時期を採用した場合よりも実効圧縮比が下がるので、相対的に更なる高膨張比化が図られて蓄熱材温度がより一層効果的に下がり、しかも、圧縮温度の更なる抑制効果も同時に得られることになる。
【００１４】
また、吸気弁の開時期を制御装置により通常エンジンの開時期より遅延させるようにしても良く、このようにすれば、吸気弁が開かないうちにピストンが先行して下降することによる断熱膨張で筒内温度が下がり、吸気行程における筒内温度が通常エンジンの開時期を採用した場合よりも降下するので、この吸気行程で蓄熱材から抜け出たガスが温度降下して次の圧縮行程で再び蓄熱材に入ってくることにより蓄熱材の温度がより下げられることになる。
【００１５】
更に、本発明をより具体的に実施するに際しては、例えば、吸気弁及び排気弁を応答性の良いアクチュエータにより開弁操作し得るように可変バルブタイミング機構が構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記した本発明の圧縮着火エンジンによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００１７】
（Ｉ）気筒内における圧縮時及び燃焼時の熱を蓄熱材に吸収させ且つその吸収した熱を排気弁の開時期を遅延させることで効果的に気筒外へ除去することができるので、毎回のサイクルにおける圧縮行程での圧縮温度を下げ、燃料の過早着火を抑制して着火時期を圧縮上死点付近まで遅らせることができ、これにより従来より負荷の高い運転条件下においても大幅な燃費悪化を回避しつつ予混合圧縮着火を実現することができ、しかも、着火時に蓄熱材に発熱量の一部を吸収させることで燃焼温度を抑え、予混合圧縮着火による燃焼温度の抑制作用と協働させてＮＯx生成を効果的に抑制することもできる。
【００１８】
（ＩＩ）着火時に蓄熱材に発熱量の一部を吸収させて冷炎期間を延ばすことにより熱炎移行を遅延させることができ、しかも、熱炎移行後も温度上昇を抑えて燃焼期間を延ばすことができるので、燃焼速度を抑制して燃焼騒音を大幅に低減することができる。
【００１９】
（ＩＩＩ）吸気弁の閉時期も通常エンジンの閉時期より遅延させるよう可変バルブタイミング機構を制御する制御装置を採用すれば、吸気弁の閉時期の遅延により実質的な圧縮開始時点を遅らせて実効圧縮比を下げることができるので、相対的に更なる高膨張比化を図ることができて蓄熱材温度をより一層効果的に下げることができ、しかも、圧縮温度の更なる抑制効果も同時に得ることができる。
【００２０】
（ＩＶ）吸気弁の開時期も通常エンジンの開時期より遅延させるよう可変バルブタイミング機構を制御する制御装置を採用すれば、吸気弁が開かないうちにピストンが先行して下降することによる断熱膨張で筒内温度を下げ、これにより吸気行程で蓄熱材から抜け出たガスを温度降下させた上で次の圧縮行程で再び蓄熱材に入れることができて該蓄熱材の温度をより下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２２】
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号の１は予混合圧縮着火式のディーゼルエンジン、２はピストン、３は燃焼室、４は排気ポート、５は排気弁、６は吸気ポート、７は吸気弁、８は燃焼室３内に燃料を噴射するためのインジェクタを夫々示しており、該インジェクタ８の噴射作動がエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置９からの燃料噴射指令８ａにより圧縮行程後期の圧縮上死点より早いタイミングで実行されるようになっている。
【００２３】
そして、斯かるディーゼルエンジン１のピストン２頂部には、融点の高いチタン合金などを原料として、熱の授受に必要な有効表面積を効率良く確保し得るよう多孔質構造を成す蓄熱材１０が、断熱材を介装することなくメタルタッチの状態で埋め込まれており、吸収した熱を速やかにピストン２に伝えて逃がし得るようにしてある。
【００２４】
また、ここに図示している例においては、排気弁５及び吸気弁７のステムヘッド５ａ，７ａをバルブスプリング５ｂ，７ｂの弾撥力に抗して押し下げる油圧式のアクチュエータ１１，１２が備えられており、これら油圧式のアクチュエータ１１，１２により、前記排気弁５及び吸気弁７の開閉時期を変更する応答性の良い可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ機構：Variable Valve Timing）が構成されている。
【００２５】
ここで、前述した各アクチュエータ１１，１２の夫々には、電磁力により三位置に切り換え可能なサーボ弁１３，１４を介し作動油タンク１５からの作動油１６を給排し得るようにしてあり、より具体的には、各サーボ弁１３，１４を図１中の下段位置に切り換えた際に、作動油タンク１５から供給ポンプ１７により送り出された作動油１６が各アクチュエータ１１，１２を押し上げるべく下側の油室に導入（上側の油室からは排出）され、各サーボ弁１３，１４を図１中の上段位置に切り換えた際には、作動油タンク１５から供給ポンプ１７により送り出された作動油１６が各アクチュエータ１１，１２を押し下げるべく上側の油室に導入（下側の油室からは排出）され、各サーボ弁１３，１４を図１中の中段位置に切り換えた際には、上下の油室の油圧がホールドされて各アクチュエータ１１，１２の昇降位置が保持されるようになっている。
【００２６】
前記各サーボ弁１３，１４の三位置の切り換え操作に関しては、前記制御装置９からの切り換え指令１３ａ，１４ａにより制御されるようになっているが、この制御装置９には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１８（負荷センサ）からのアクセル開度信号１８ａや、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１９からの回転数信号１９ａなどといった各種のセンサ群からの信号が入力され、これらの信号に基づきディーゼルエンジン１の現在の運転条件が常に監視されるようになっているので、ここで判る運転条件に応じ前記各サーボ弁１３，１４の切り換え操作が以下に詳述する如く適切に実行されるようにしてある。
【００２７】
即ち、制御装置９では、排気弁５の開時期を通常のディーゼルエンジン（通常エンジン）の開時期よりも遅延させるよう前記アクチュエータ１１の作動を制御し、しかも、必要に応じて吸気弁７の閉時期を通常のディーゼルエンジンの閉時期より遅延させるよう前記アクチュエータ１２の作動を制御するようにもなっており、特に本形態例においては、前述の排気弁５の開時期の遅延に併せて、吸気弁７の開時期についても制御装置９により通常のディーゼルエンジンの開時期より遅延させるようになっている。
【００２８】
尚、通常のディーゼルエンジン（通常エンジン）における排気弁や吸気弁の開閉時期は、良好な熱効率が得られるように決められており、例えば、通常のディーゼルエンジンを搭載した大型車輌の一例にあっては、圧縮上死点を０゜として、膨張行程側を＋、圧縮行程側を−とした場合に、排気弁の開時期が＋１２１゜程度のクランク角（バルブリフト量が０の時点）となるが、これを比較対象とした場合、本形態例の制御装置９では、排気弁５の開時期を＋１５０゜程度まで遅らせる制御が成されることになる。
【００２９】
また、通常の吸気弁の閉時期が−１５８゜程度のクランク角（バルブリフト量が０の時点）である場合、本形態例の制御装置９では、吸気弁７の閉時期を−１００゜〜−９０゜程度まで遅らせる制御が成されることになり、更には、通常の吸気弁の開時期が−３７２゜程度のクランク角（バルブリフト量が０の時点）である場合に、本形態例の制御装置９では、吸気弁７の開時期を−３３０゜〜−２７０゜程度まで遅らせる制御が成されることになる。
【００３０】
ただし、前述した通常のディーゼルエンジン（通常エンジン）における排気弁や吸気弁の開閉時期は、車輌に搭載されるエンジンの回転レンジにより異なるため、例えば、小型車輌にあっては、前述の大型車輌で例示したクランク角とは開閉時期が大きく変わることになり、また、同じエンジンであっても、自然吸気かターボチャージャ付きかにより大きく変化することになるが、過早着火させずに予混合圧縮着火を成立させることが可能な開閉時期の遅延の程度は、各エンジンの使用条件や負荷に応じて自ずから個々に定まることになる。
【００３１】
尚、図１に図示しているディーゼルエンジン１では、排出ガス２０が流通する排気管２１と吸気管２２との間がＥＧＲパイプ２３により接続されており、このＥＧＲパイプ２３の途中に備えたＥＧＲバルブ２４を介し排出ガス２０の一部を吸入空気２５と一緒に再循環してディーゼルエンジン１の気筒内に送り込み、該気筒内での燃焼温度を下げてＮＯxの低減化を図るようにしたものとなっている。
【００３２】
而して、このようにディーゼルエンジン１を構成すれば、圧縮時にピストン２頂部の蓄熱材１０が常に燃焼室３に面し、該蓄熱材１０に効率良く熱が吸収されて圧縮温度が下がり、これにより燃料の過早着火が抑制されて着火時期が圧縮上死点付近まで遅延され、しかも、着火時に蓄熱材１０に発熱量の一部が吸収されて燃焼温度が抑えられる結果、予混合圧縮着火による燃焼温度の抑制作用と相まってＮＯx生成が効果的に抑制される。
【００３３】
即ち、制御装置９からの燃料噴射指令８ａにより圧縮上死点より早いタイミングでインジェクタ８の燃料噴射が行われているので、先行投入された燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で燃焼が行われることで燃焼温度が低く抑えられる上に、着火時に蓄熱材１０に発熱量の一部が吸収されて燃焼温度が更に抑えられることになる。
【００３４】
また、着火時に蓄熱材１０に発熱量の一部が吸収されることで冷炎期間が延ばされて熱炎移行が遅れ、しかも、熱炎移行後も温度上昇が抑えられて燃焼期間が延ばされるので、燃焼速度が抑制されて燃焼が緩慢化されることにより燃焼騒音が低減される。
【００３５】
図２は実験により得られた蓄熱材１０の温度と筒内温度の推移を示すグラフであり、このグラフから明らかである通り、吸気行程では蓄熱材１０内のガスが抜け出るだけで蓄熱材１０自体の温度変化は特に認められず、この吸気行程に続く圧縮行程で筒内圧縮が進むのに従い、蓄熱材１０より温度の低い吸入空気２５が蓄熱材１０に入り込んで僅かに蓄熱材１０の温度が低下するが、その後に筒内温度が蓄熱材１０の温度以上に上昇することで該蓄熱材１０の温度も上昇することになる。
【００３６】
即ち、筒内温度が蓄熱材１０の温度を超えることで該蓄熱材１０に熱が吸収される結果、圧縮による筒内温度の上昇が鈍化して燃料の過早着火が抑制され、その着火時期が圧縮上死点付近まで遅延されることになる。
【００３７】
次いで、燃料の着火により筒内温度が急激に上昇するが、図２中に二点鎖線で示す蓄熱材１０が無かった場合の筒内温度と比較すれば明らかな通り、着火時に蓄熱材１０に発熱量の一部が吸収されて燃焼温度が著しく抑えられることになり、また、発熱量の一部を吸収した蓄熱材１０の温度は上昇することになる。
【００３８】
更に、この着火から膨張行程に移行して筒内圧力がピストン２に仕事をすることで筒内温度が低下すると共に、蓄熱材１０も気筒内へ熱を供給することで温度低下し、膨張行程の末期に排気弁５が開くことで排出ガス２０が熱を持ったまま気筒外へ排出されて筒内温度が急激に下がり、これに伴い蓄熱材１０の温度も急激に降下して、これ以降の排気行程から次の吸気行程にかけて同じ温度のまま推移することになる。
【００３９】
ここで、本発明者は、このような排気弁５の開時における蓄熱材１０の急激な温度降下に着目し、排気弁５の開時期を遅延させて該排気弁５が開く直前の蓄熱材１０の温度（筒内温度）を可能な限り下げておくことにより、排気弁５が開いた時に蓄熱材１０の温度をより低く下げて効果的な除熱を図るという手法を想到するに到った。
【００４０】
即ち、蓄熱材１０に回収された熱については、該蓄熱材１０が装備されたピストン２に逃がされ、該ピストン２の裏面やクーリングギャラリへのオイル噴射、或いは、水冷のシリンダ壁へのピストンリングを介した放熱作用により気筒外へ除去されるが、本形態例においては、制御装置９に制御されるアクチュエータ１１の作動で排気弁５の開時期が通常のディーゼルエンジンの開時期よりも遅延されるようにしているので、より効果的に蓄熱材１０の熱が気筒外へ除去されることになる。
【００４１】
つまり、アクチュエータ１１により排気弁５の開時期が通常のディーゼルエンジンの開時期よりも遅延されると、膨張行程の末期が延長されて膨張比が高められ、断熱膨張により膨張行程末期の筒内温度が通常膨張比の場合よりも降下して蓄熱材１０の温度も一緒に下がり、ここで排気弁５が開いて排出ガス２０が熱を持ったまま気筒外へ排出されることで蓄熱材１０の熱が効果的に除去され、通常膨張比の場合よりも低い温度まで蓄熱材１０の温度が降下する。
【００４２】
更に、このような排気弁５の開時期の遅延に併せて、吸気弁７の閉時期も通常のディーゼルエンジンの閉時期より遅延させるように制御装置９でアクチュエータ１１，１２を制御すると、吸気弁７の閉時期の遅延により実質的な圧縮開始時点が遅れ、該圧縮開始時点での筒内容積が本来より少なくなる結果、通常のディーゼルエンジンの開時期を採用した場合よりも実効圧縮比が下がるので、相対的に更なる高膨張比化が図られて蓄熱材１０の温度がより一層効果的に下がり、しかも、圧縮温度の更なる抑制効果も同時に得られる。
【００４３】
また、吸気弁７の開時期を制御装置９により通常のディーゼルエンジンの開時期より遅延させると、吸気弁７が開かないうちにピストン２が先行して下降することによる断熱膨張で筒内温度が下がり、吸気行程における筒内温度が通常のディーゼルエンジンの開時期を採用した場合よりも降下するので、この吸気行程で蓄熱材１０から抜け出たガスが温度降下して次の圧縮行程で再び蓄熱材１０に入ってくることにより蓄熱材１０の温度がより下げられることになる。
【００４４】
従って、上記形態例によれば、気筒内における圧縮時及び燃焼時の熱を蓄熱材１０に吸収させ、その吸収した熱を排気弁５の開時期、吸気弁７の開時期及び閉時期を夫々遅延させることで効果的に気筒外へ除去することができるので、毎回のサイクルにおける圧縮行程での圧縮温度を下げ、燃料の過早着火を抑制して着火時期を圧縮上死点付近まで遅らせることができ、これにより従来より負荷の高い運転条件下においても大幅な燃費悪化を回避しつつ予混合圧縮着火を実現することができ、しかも、着火時に蓄熱材１０に発熱量の一部を吸収させることで燃焼温度を抑え、予混合圧縮着火による燃焼温度の抑制作用と協働させてＮＯx生成を効果的に抑制することもできる。
【００４５】
また、着火時に蓄熱材１０に発熱量の一部を吸収させて冷炎期間を延ばすことにより熱炎移行を遅延させることができ、しかも、熱炎移行後も温度上昇を抑えて燃焼期間を延ばすことができるので、燃焼速度を抑制して燃焼騒音を大幅に低減することができる。
【００４６】
尚、本発明の圧縮着火エンジンは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、軽油を燃料とするディーゼルエンジン以外の圧縮着火エンジンにも適用し得ること、蓄熱材は必ずしもピストン頂部に埋め込んで配置しなくても良く、例えば、シリンダヘッド側に埋め込んで水冷させるようにしても良いこと、また、蓄熱材は熱の授受に必要な有効表面積を効率良く確保し得る構造であれば必ずしも多孔質構造としなくても良く、例えば、融点の高いチタン合金などの原料を毛のように細くした線材をブラシ状に土台に植え込んだものを採用しても良いこと、更に、可変バルブタイミング機構は図示の如き油圧式の機構に限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】蓄熱材温度と筒内温度の推移を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１  ディーゼルエンジン（圧縮着火エンジン）
２  ピストン
３  燃焼室
５  排気弁
７  吸気弁
８  インジェクタ
９  制御装置
１０  蓄熱材
１１  アクチュエータ（可変バルブタイミング機構）
１２  アクチュエータ（可変バルブタイミング機構）
２０  排出ガス
２１  排気管
２２  吸気管
２５  吸入空気
【図１】
2006046159.tif 000003
【図２】
2006046159.tif 000004