(57)【要約】【課題】運転領域を拡大できると共に、騒音を抑制できる予混合圧縮着火内燃機関を提供する。【解決手段】燃焼室１１と、吸気ポート２にガソリンを噴射する第１のノズル１５と、燃焼室１１の上部からジエチルエーテルを含む燃料を直接噴射する第２のノズル１６とを備える。第１のノズル１５から噴射されたガソリンの圧縮途中で第２のノズル１６から燃焼室１１内にジエチルエーテルを含む燃料を直接噴射する。第２のノズル１６は、要求負荷が低い場合はジエチルエーテルを含む燃料の割合を増加させ、要求負荷が高い場合はジエチルエーテルを含む燃料の割合を低減させるように制御される。ジエチルエーテルを含む燃料は、エタノールを含む燃料を改質して生成させる。エタノールを含む燃料は、ガソリンとエタノールとの混合燃料に水を混合して分離させたエタノール−水混合液である。【選択図】  図２
2008286110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、該燃焼室に混合気を供給する吸気ポートと、該吸気ポートにガソリンを噴射する第１のノズルと、該燃焼室の上部から該燃焼室内にジエチルエーテルを含む燃料を直接噴射する第２のノズルとを備える予混合圧縮着火内燃機関であって、
第１のノズルから噴射されたガソリンが該吸気ポート内で空気と予混合され、該燃焼室に供給された後、圧縮途中で第２のノズルから該燃焼室内に該ジエチルエーテルを含む燃料を直接噴射することを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載の予混合圧縮着火内燃機関において、前記第２のノズルは、要求負荷が低い場合は第１のノズルから噴射されるガソリンの量に対する前記ジエチルエーテルを含む燃料の噴射量を増加させ、要求負荷が高い場合は第１のノズルから噴射されるガソリンの量に対する前記ジエチルエーテルを含む燃料の噴射量を低減させるように制御されることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の予混合圧縮着火内燃機関において、前記ジエチルエーテルを含む燃料は、エタノールを含む燃料中のエタノールを改質して生成させることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の予混合圧縮着火内燃機関において、前記エタノールを含む燃料は、ガソリンとエタノールとの混合燃料に水を混合して分離させたエタノール−水混合液であることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予混合圧縮着火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の所定負荷、所定時間当たりの燃料消費量を低減し、かつ排出物の量の低減を図るために、予混合圧縮着火内燃機関に代表される圧縮着火内燃機関が検討されている。前記圧縮着火内燃機関は、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入して圧縮することにより、該燃料に自着火させるものである。
【０００３】
ところが、前記予混合圧縮着火内燃機関は、火花点火方式の内燃機関と異なり着火のタイミングを制御することが難しい。また、前記予混合圧縮着火内燃機関は、着火性の高い燃料を用いたときには該機関の要求負荷が高くなったときにノッキングを起こしやすく、着火性の低い燃料を用いたときには前記要求負荷が低くなったときに失火しやすい。従って、前記予混合圧縮着火内燃機関は、安定に運転することができる運転領域が狭いとの問題がある。
【０００４】
前記問題を解決するために、従来、要求負荷に応じて、着火性の高い燃料と、着火性の低い燃料との２種類の燃料を混合して前記予混合圧縮着火内燃機関に供給する技術が知られている。前記２種類の燃料としては、例えば、軽油とガソリンとが用いられる。しかし、軽油を用いる場合には、前記要求負荷が低い領域では着火性の高い燃料である軽油の使用量が増大し、軽油の蒸発特性の低さに起因する窒素酸化物（ＮＯｘ）及び煤の排出が避けられないとの問題がある。また、前記圧縮着火内燃機関を自動車等に搭載する場合に、前記技術を適用しようとすると、燃料タンクと燃料ラインとを各燃料毎に装備する必要があり、燃料補給も燃料の種類毎に行わなければならず煩雑である。
【０００５】
そこで、１種類の燃料の一部を改質することにより、着火性の異なる２種類の燃料を得ることが検討されている。前記のように改質される燃料としては、例えば、エタノールを含むガソリンを用いることができ、該燃料に含まれるエタノールをジエチルエーテルに改質する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
前記技術は、第１の燃料としてエタノールを含むガソリンを用い、該第１の燃料の一部を、改質器に収容された酸触媒に接触させると共に、該第１の燃料と触媒とを加熱することにより、エタノールをジエチルエーテルに改質するものである。このようにすることにより、第２の燃料としてジエチルエーテルを含むガソリンが得られる。ここで、ジエチルエーテルはエタノールよりも着火性が高いので、第１の燃料は着火性の低い燃料となり、第２の燃料は着火性の高い燃料となる。
【０００７】
従って、第１の燃料と第２の燃料とを混合して前記圧縮着火内燃機関に供給する際に、高負荷側では着火性の低い第１の燃料の割合を高くし、低負荷側では着火性の高い第２の燃料の割合を高くすることにより、安定に運転することができる運転領域を拡大することができるものと考えられる。
【０００８】
しかしながら、予混合圧縮着火内燃機関では、燃焼室内で急激な燃焼が起き、圧力上昇率が大きくなるため、騒音が発生するという不都合がある。
【特許文献１】特開２００６−２２６１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる不都合を解消して、安定に運転することができる運転領域を拡大することができると共に、騒音を抑制することができる予混合圧縮着火内燃機関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】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明は、燃焼室と、該燃焼室に混合気を供給する吸気ポートと、該吸気ポートにガソリンを噴射する第１のノズルと、該燃焼室の上部から該燃焼室内にジエチルエーテルを含む燃料を直接噴射する第２のノズルとを備える予混合圧縮着火内燃機関であって、第１のノズルから噴射されたガソリンが該吸気ポート内で空気と予混合され、該燃焼室に供給された後、圧縮途中で第２のノズルから該燃焼室内に該ジエチルエーテルを含む燃料を直接噴射することを特徴とする。
【００１１】
本発明の予混合圧縮着火内燃機関では、まず、第１のノズルから噴射されたガソリンが前記吸気ポート内で空気と予混合され、前記燃焼室に供給されて、圧縮される。次に、前記燃焼室内でガソリンが圧縮される途中で、第２のノズルから、前記燃焼室内にジエチルエーテルを含む燃料を直接噴射する。
【００１２】
このようにすると、前記燃焼室内に、着火性の高いジエチルエーテルを含む燃料が多く存在する部分と、着火性の低いガソリンが多く存在する部分とが形成される。前記ジエチルエーテルを含む燃料が多く存在する部分は、相対的に着火性が高くなるので、さらに圧縮されることにより、まずこの部分から着火が起こり、時間差を置いてガソリンが多く存在する部分が着火する。
【００１３】
従って、本発明の予混合圧縮着火内燃機関によれば、前記燃焼室内での急激な燃焼が抑制されると共に、圧力上昇率が低くなり、騒音を抑制することができる。
【００１４】
また、本発明の予混合圧縮着火内燃機関では、前記第２のノズルは、要求負荷が低い場合は第１のノズルから噴射されるガソリンの量に対する前記ジエチルエーテルを含む燃料の噴射量を増加させ、要求負荷が高い場合は第１のノズルから噴射されるガソリンの量に対する前記ジエチルエーテルを含む燃料の噴射量を低減させるように制御されることを特徴とする。
【００１５】
このようにすると、要求負荷が低い場合には、前記燃焼室内に供給される燃料の着火性が高くなり、要求負荷が高い場合には、前記燃焼室内に供給される燃料の着火性が低くなるので、本発明の予混合圧縮着火内燃機関は、前記要求負荷が低い領域から高い領域まで、安定に運転することができる。
【００１６】
本発明の予混合圧縮着火内燃機関において、前記ジエチルエーテルを含む燃料は、例えば、エタノールを含む燃料中のエタノールを改質して生成させたものを用いることができる。また、前記エタノールを含む燃料は、例えば、ガソリンとエタノールとの混合燃料に水を混合して分離させたエタノール−水混合液を用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本発明の予混合圧縮着火内燃機関の一実施形態を示すシステム構成図、図２は図１に示す予混合圧縮着火内燃機関の燃焼室の説明的断面図、図３は図２に示す燃焼室にジエチルエーテルを含む燃料を直接噴射したときの着火性の分布を示す説明図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の予混合圧縮着火内燃機関１は、吸気ポート２と、排気管３と、燃料タンク４とを備えている。
【００１９】
燃料タンク４は、ガソリン−エタノール混合燃料が供給される燃料給油口５と、水タンク６と、ガソリン導管７と、エタノール導管８とを備えている。燃料タンク４は、燃料給油口５から供給されるガソリン−エタノール混合燃料に水タンク６から供給される水を混合し、図示しない撹拌装置により撹拌することにより、該混合燃料をガソリン７ａと、エタノールを含む燃料としてのエタノール−水混合液８ａとに分離する撹拌装置を兼ねている。分離されたガソリン７ａと、エタノール−水混合液８ａとは比重差により上下２層を形成し、ガソリン７ａが上層、エタノール−水混合液８ａが下層となっている。
【００２０】
そこで、ガソリン導管７は燃料タンク４の上部に備えられて上層のガソリン７ａを取り出すようになっており、下流側の端部は予混合圧縮着火内燃機関１に接続されている。また、エタノール導管８は燃料タンク４の下部に備えられて下層のエタノール−水混合液８ａを取り出すようになっており、下流側の端部はエタノール−水混合液８ａ中のエタノールをジエチルエーテルに改質する改質器９の一方の端部に接続されている。
【００２１】
改質器９は、内部にエタノールをジエチルエーテルに改質する改質触媒（図示せず）が収容されている。改質器９は排気管３に沿って設けられており、エタノール導管８により供給されたエタノール−水混合液８ａを前記触媒に接触させると共に、排気管３から排出される燃焼排気との熱交換により加熱する。この結果、エタノール−水混合液８ａ中のエタノールがジエチルエーテルに改質され、ジエチルエーテルを含む燃料としてのジエチルエーテル−水混合液が得られる。改質器９の他方の端部には、ジエチルエーテル−水混合液を取り出すジエチルエーテル導管１０が備えられており、ジエチルエーテル導管１０の下流側の端部は予混合圧縮着火内燃機関１に接続されている。
【００２２】
予混合圧縮着火内燃機関１は、図２に示すように、円筒状の燃焼室１１と、燃焼室１１の内壁に沿って摺動自在のピストン１２とを備えており、燃焼室１１の上部には吸気ポート２と、排気管３とが連通している。吸気ポート２は吸気バルブ１３により開閉自在とされており、排気ポート３は排気バルブ１４により開閉自在とされている。
【００２３】
吸気ポート２には、ガソリンを噴射する第１のノズル１５が配設されており、第１のノズル１５にはガソリン導管７の下流側端部が接続されている。また、燃焼室１１の上部の略中央部には、燃焼室１１内にジエチルエーテル−水混合液を直接噴射する第２のノズル１６が設けられている。
【００２４】
次に、本実施形態の予混合圧縮着火内燃機関１の作動について説明する。
【００２５】
予混合圧縮着火内燃機関１では、まず、燃料給油口５から燃料タンク４に、ガソリン−エタノール混合燃料を供給する。前記ガソリン−エタノール混合燃料は、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵、蒸留により得たエタノールを含有することにより、所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。前記カーボンニュートラル効果は、前記植物性物質自体が既に二酸化炭素を吸収しているので、係る植物性物質を原料とするエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しく、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるというものである。従って、前記ガソリン−エタノール混合燃料によれば、二酸化炭素の排出量を削減し、地球の温暖化防止に寄与することができる。
【００２６】
予混合圧縮着火内燃機関１では、次に、燃料タンク４に供給されたガソリン−エタノール混合燃料に、水タンク６から供給される水を混合し、図示しない撹拌装置により撹拌する。このようにすると、ガソリンは疎水性であり、エタノールは親水性であるので、前記ガソリン−エタノール混合燃料は、ガソリン７ａと、エタノール−水混合液８ａとに容易に分離する。
【００２７】
ここで、ガソリン７ａは、エタノール−水混合液８ａに比較して比重が小であるので、ガソリン７ａと、エタノール−水混合液８ａとは燃料タンク４内で２層に分離し、ガソリン７ａが上層、エタノール−水混合液８ａが下層となる。ガソリン７ａは、ガソリン導管７により燃料タンク４から取出され、第１のノズル１５から吸気ポート２に噴射され、吸気ポート２内で空気と予混合された上、燃焼室１１に供給される。
【００２８】
一方、エタノール−水混合液８ａはエタノール導管８により燃料タンク４から取出され、改質器９に供給されて、改質器９に収容されている前記改質触媒に接触せしめられる。前記改質触媒としては、ゼオライト等の固体の酸触媒を好ましく用いることができる。前記固体の酸触媒としては、活性アルミナ、ヘテロポリ酸、シリカアルミナ、硫酸化ジルコニア、イオン交換樹脂等を用いることもできる。前記ヘテロポリ酸としては、１２タングストリン酸等を挙げることができ、前記イオン交換樹脂としては、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）等を挙げることができる。
【００２９】
次に、エタノール−水混合液８ａは前記改質触媒に接触せしめられた状態で、排気管３から排出される燃焼排気と熱交換することにより加熱される。前記燃焼排気は、３００〜７００℃程度の温度であり、エタノール−水混合液８ａは前記熱交換により２００℃程度に加熱される。この結果、エタノール−水混合液８ａ中のエタノールは次式（１）で示される脱水反応を起こし、容易にジエチルエーテルに改質され、ジエチルエーテル−水混合液が得られる。
【００３０】
２Ｃ２Ｈ５ＯＨ  →  Ｃ２Ｈ５ＯＣ２Ｈ５  ＋  Ｈ２Ｏ        ・・・（１）
改質器９で得られたジエチルエーテル−水混合液は、ジエチルエーテル導管１０により取出され、第２のノズル１６から燃焼室１１に内に直接噴射される。
【００３１】
燃焼室１１では、第１のノズル１５から吸気ポート２に噴射され、吸気ポート２内で空気と予混合されたガソリン７ａが、ピストン１２により圧縮されている。そして、ジエチルエーテル−水混合液は、前記圧縮の途中で、第２のノズル１６から燃焼室１１に内に直接噴射される。
【００３２】
このようにすると、図３に示すように、燃焼室１１内には、ジエチルエーテルが多く存在する部分２１と、ガソリンが多く存在する部分２２とが形成される。そして、そのままさらに圧縮を続けると、ジエチルエーテルはガソリンよりも着火性が高いので、まず、ジエチルエーテルが多く存在する部分２１から着火が起こり、時間差を置いてガソリンが多く存在する部分２２が着火する。
【００３３】
従って、予混合圧縮着火内燃機関１によれば、燃焼室１１内での急激な燃焼が抑制されると共に、圧力上昇率が低くなり、騒音を抑制することができる。
【００３４】
また、予混合圧縮着火内燃機関１では、要求負荷が低い場合は第１のノズル１５から噴射されるガソリン７ａの量に対して、ジエチルエーテル−水混合液の噴射量を増加させ、燃料全体に対するジエチルエーテル−水混合液の割合を高くする。また、第２のノズル１６からジエチルエーテル−水混合液を噴射する時期を、上死点直前まで遅角化する。このようにすることにより、燃焼室１１内にジエチルエーテルが多く存在する部分２１、換言すればジエチルエーテル濃度の高い部分２１を形成することができるので、通常の条件では圧縮着火燃焼の困難な極端に要求負荷が低い領域でも、着火性を確保して失火を防止することができる。
【００３５】
一方、予混合圧縮着火内燃機関１では、要求負荷が高い場合は第１のノズル１５から噴射されるガソリン７ａの量に対して、ジエチルエーテル−水混合液の噴射量を低減させ、燃料全体に対するジエチルエーテル−水混合液の割合を低くする。このようにすることにより、燃焼室１１内にジエチルエーテルが多く存在する部分２１が形成されにくくなるので、緩慢な燃焼を行うことができ、ノッキングを防止することができる。また、燃料全体に対するジエチルエーテル−水混合液の割合を低くすることにより、均一に近い状態の低温燃焼が可能になり、ＮＯｘの排出を低減することができる。
【００３６】
この結果、予混合圧縮着火内燃機関１では、要求負荷が低い領域から高い領域まで、広い範囲で安定に運転することができる。
【００３７】
予混合圧縮着火内燃機関１では、回転数、要求負荷等の運転条件によって、燃料全体に対するジエチルエーテル−水混合液の割合と、噴射時期とを調整することにより、適度な分布を備える混合気を形成することができ、着火後の燃焼速度の制御が可能になる。また、予混合圧縮着火内燃機関１において、霧化・蒸発特性が非常に高いので、噴射時期に関する自由度が大であり、ＮＯｘの排出量低減と、高効率での燃焼とを同時に実現することができる。
【００３８】
尚、予混合圧縮着火内燃機関１では、燃料全体に対するジエチルエーテル−水混合液の割合と、噴射時期とは、燃焼室１１の形状や、第２のノズル１６の噴射形状等の諸元により固有のものとなるので、最適化が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の予混合圧縮着火内燃機関の一実施形態を示すシステム構成図。
【図２】図１に示す予混合圧縮着火内燃機関の燃焼室の説明的断面図。
【図３】図２に示す燃焼室における着火性の分布を示す説明図。
【符号の説明】
【００４０】
１…予混合圧縮着火内燃機関、  ２…吸気ポート、  １１…燃焼室、  １５…第１のノズル、  １６…第２のノズル。
【図１】
2008286110.tif 000003
【図２】
2008286110.tif 000004
【図３】
2008286110.tif 000005