(57)【要約】【課題】噴射ノズルにて燃料噴霧を気筒内に形成することによる弊害を回避できる圧縮着火式内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１は、固体の外殻内に軽油が封入され、かつ圧縮行程において外殻が溶融又は昇華により破れるカプセル燃料５１の集合体である燃料群５０を気筒３内に供給する燃料供給装置１１を備え、気筒３内に存在する燃料を圧縮行程で自着火させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に存在する燃料を圧縮行程で自着火させる圧縮着火式内燃機関において、
固体の外殻内に液体の燃料が封入され、かつ圧縮行程において前記外殻が破れるように構成されたカプセル燃料の集合体である燃料群を前記気筒内に供給する燃料供給手段を備えることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
【請求項２】
前記燃料供給手段は、前記気筒と連通する吸気通路に設けられて前記吸気通路への前記燃料群の導入とその停止とを切り替え可能な燃料供給弁を備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項３】
前記燃料供給手段は、前記燃料群を蓄える燃料貯留手段と、前記燃料供給弁と前記燃料貯留手段とを結ぶ燃料供給通路と、前記燃料供給通路に設けられて前記燃料群を前記燃料供給弁に圧送する圧送手段とを更に備えることを特徴とする請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項４】
前記カプセル燃料は球状に構成されるとともに、その外径が１ｍｍ以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項５】
前記カプセル燃料の前記外殻は所定温度で溶融又は昇華する材料にて構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項６】
前記所定温度は、前記圧縮行程の上死点における前記気筒内の温度以下で、かつ吸気行程における前記気筒内の温度以上の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項７】
前記所定温度は、前記圧縮行程の上死点前２０°ＣＡから上死点までにおける前記気筒内の温度範囲内に設定されていることを特徴とする請求項６に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項８】
前記カプセル燃料の前記外殻は、その機械的強度が部分的に弱くなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項９】
前記カプセル燃料が互いに反発するようにそれぞれの前記カプセル燃料が同極性に帯電していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項１０】
気筒内に存在する燃料を圧縮行程で自着火させる圧縮着火式内燃機関において、
所定波長のレーザの照射にて発熱する光吸収成分を含みかつ前記光吸収成分の発熱により溶融又は昇華可能な材料にて構成された固体の外殻内に液体の燃料が封入されたカプセル燃料の集合体である燃料群を前記気筒内に供給する燃料供給手段と、前記気筒内に前記所定波長のレーザを照射可能なレーザ照射手段と、圧縮行程の所定時期に前記レーザが前記気筒内に照射されるように前記レーザ照射手段を制御するレーザ制御手段と、を備えることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
【請求項１１】
前記レーザの照射時期が運転状態に応じて変化するように前記所定時期を設定する照射時期設定手段を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項１２】
前記照射時期設定手段は、機関回転速度が高いほど前記レーザの照射時期が早まるように前記所定時期を設定することを特徴とする請求項１１に記載の圧縮着火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒内に存在する燃料を圧縮行程で自着火させる圧縮着火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
気筒内に噴射ノズルを利用して燃料を噴射することにより燃料噴霧を形成し圧縮行程で自着火させるディーゼル機関等の圧縮着火式内燃機関が広く知られている。このような内燃機関は噴射ノズルの噴孔の大きさや噴射圧を適宜設定することで噴射燃料の油滴の平均粒径を調整できる。例えば０．２ｍｍ〜１ｍｍのザウタ平均粒径を持つ燃料噴霧を比較的低圧で噴射し、全燃料を噴射後暫くしてから圧縮着火させる内燃機関が知られている（特許文献１）。この内燃機関は、燃料の噴射から着火までの時間を十分に確保するとともに油滴の高分散化を促進することにより個々の油滴を蒸発拡散燃焼させて、ＮＯｘとスモークの発生を同時に抑制することを企図している。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。
【０００３】
【特許文献１】特許第２７５４９３８号公報
【特許文献２】特開平１−２１０４９７号公報
【特許文献３】特開２００４−５０２０２２号公報
【特許文献４】特開平７−３１７５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような内燃機関は平均粒径を適宜設定できるものの、燃料噴霧に含まれる個々の油滴の粒径を揃えることは困難で、その粒径は必然的に分布を有する。そのため、粒径の分布の一方の裾をなす小粒径の油滴は噴射直後に蒸発を開始していち早く混合気を形成して着火に至り、それが火種となって急激な燃焼が起こり燃焼騒音を招く。他方の裾をなす大粒径の油滴は混合気の形成が遅くなるので、先に着火した油滴の火炎に曝されて酸素不足の燃焼が余儀なくされてスモークの発生原因となる。また、噴射ノズルから噴射される燃料は大きな乱れ場を伴うので、個々の油滴が合体する等により混合気の濃度分布が過濃な箇所が形成される。そのような箇所では発熱量が大きくなって高温場が形成されるのでＮＯｘの発生原因となる。
【０００５】
そこで、本発明は噴射ノズルにて燃料噴霧を気筒内に形成することによる弊害を回避できる圧縮着火式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】
【０００６】
本発明の第１の圧縮着火式内燃機関は、気筒内に存在する燃料を圧縮行程で自着火させる圧縮着火式内燃機関において、固体の外殻内に液体の燃料が封入され、かつ圧縮行程において前記外殻が破れるように構成されたカプセル燃料の集合体である燃料群を前記気筒内に供給する燃料供給手段を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
この内燃機関によれば、カプセル燃料の集合体である燃料群が気筒内に供給された場合、カプセル燃料の外殻が破れるまでは外殻内に封入された燃料が気筒内の空気と触れることはないため燃料の蒸発が抑制される。その後圧縮行程に至ると、個々のカプセル燃料の外殻が破れ、外殻に封入されていた燃料が燃料塊となって気筒内の空気と初めて接触する。これにより、個々の燃料塊の表面から蒸発してゆき、燃料塊の周囲の空気が取り込まれて可燃混合気が燃料塊の周囲に形成される。圧縮行程が進行して気筒内の温度が混合気の着火温度に達すると燃料塊の周囲に形成された混合気が着火して燃焼が開始する。このときの燃焼は燃料塊の周囲から内部に向かって穏やかに進行するので、急激な燃焼による燃焼騒音を抑制できる。また、カプセル燃料の外殻が破れるまでは、複数のカプセル燃料が合体することがないので局所的な高温場の形成が防止されてＮＯｘの発生を抑制できる。
【０００８】
本発明に係る燃料供給手段は気筒内に燃料群を供給できれば十分であり、その構成に特段の制限はない。例えば従来のディーゼル機関のように気筒内に直接的に燃料群を供給するようにしてもよい。また、前記燃料供給手段は、前記気筒と連通する吸気通路に設けられて前記吸気通路への前記燃料群の導入とその停止とを切り替え可能な燃料供給弁を備えてもよい（請求項２）。この態様は、吸気通路に導入された燃料群が吸気通路を流れる吸気流に乗って気筒に供給される。吸気流を利用して気筒内へ燃料群を供給できるので、少なくとも吸気通路内の圧力より高い圧力で燃料群を吸気通路に導入すれば十分である。従って、この態様は気筒内に直接的に燃料群を供給する態様よりも簡素な構成で燃料群の供給を実現できる。その一例として、前記燃料供給手段は、前記燃料群を蓄える燃料貯留手段と、前記燃料供給弁と前記燃料貯留手段とを結ぶ燃料供給通路と、前記燃料供給通路に設けられて前記燃料群を前記燃料供給弁に圧送する圧送手段とを更に備えてもよい（請求項３）。
【０００９】
カプセル燃料の形状や大きさ等の諸条件は適宜に設定してよい。例えば、前記カプセル燃料は球状に構成されるとともに、その外径が１ｍｍ以下となるように構成されてもよい（請求項４）。この場合、外殻が破れた後に露出する燃料塊の大きさが十分に小さく、燃焼温度を下げることができるため、ＮＯｘの発生の抑制効果が向上する。
【００１０】
カプセル燃料の外殻は、圧縮行程で破れ、それ以外の状態で液体の燃料を内部に保持できるものであれば十分であり、その材料は問わない。例えば、外殻は所定温度で溶融又は昇華する材料にて構成されていてもよい（請求項５）。圧縮行程ではピストンの上昇に伴って気筒内の温度が次第に高まる。従って、所定温度を適宜に設定することにより、圧縮行程における所望のタイミングで外殻を溶融又は昇華させて外殻が破れるようにすることができる。例えば、その所定温度は、前記圧縮行程の上死点における前記気筒内の温度以下で、かつ吸気行程における前記気筒内の温度以上の範囲内に設定されていてもよいし（請求項６）、前記圧縮行程の上死点前２０°ＣＡから上死点までにおける前記気筒内の温度範囲内に設定されていてもよい（請求項７）。
【００１１】
また、前記外殻は、その機械的強度が部分的に弱くなるように構成されていてもよい（請求項８）。上述のように、圧縮行程ではピストンの上昇に伴って気筒内の温度が次第に高まる。これと同時に気筒内の圧力も高まる。この態様によれば、圧縮行程における気筒内の圧力変化を利用して機械的強度が弱くなっている部分から外殻を破壊するようにできる。機械的強度を部分的に弱める手段は、種々の手段を採用できる。例えば、カプセル燃料の外殻の一部に機械的な応力を一時的に加えることで、外殻の一部に残留応力を保持させてその部分の機械的強度を弱めることができる。また、外殻の厚さを不均一とし、その厚さが最も薄い部分の機械的強度を弱めることができる。
【００１２】
前記カプセル燃料が互いに反発するようにそれぞれの前記カプセル燃料が同極性に帯電していてもよい（請求項９）。この態様によれば、燃料群が気筒内に供給されたときに個々のカプセル燃料の距離が十分に確保されてカプセル燃料同士が接触し合うことが回避される。このため、気筒内におけるカプセル燃料の分布の偏りが低減されて、燃焼が更に良好になる。
【００１３】
本発明の第２の圧縮着火式内燃機関は、気筒内に存在する燃料を圧縮行程で自着火させる圧縮着火式内燃機関において、所定波長のレーザの照射にて発熱する光吸収成分を含みかつ前記光吸収成分の発熱により溶融又は昇華可能な材料にて構成された固体の外殻内に液体の燃料が封入されたカプセル燃料の集合体である燃料群を前記気筒内に供給する燃料供給手段と、前記気筒内に前記所定波長のレーザを照射可能なレーザ照射手段と、圧縮行程の所定時期に前記レーザが前記気筒内に照射されるように前記レーザ照射手段を制御するレーザ制御手段と、を備えることをにより、上述した課題を解決する（請求項１０）。
【００１４】
この内燃機関によれば、カプセル燃料の集合体である燃料群が気筒内に供給された場合、カプセル燃料の外殻が破れるまでは外殻内に封入された燃料が気筒内の空気と触れることはないため燃料の蒸発が抑制される。その後圧縮行程に至ると、気筒内に照射されたレーザによって外殻に含まれる光吸収成分が発熱してカプセル燃料の外殻が溶融又は昇華する。これにより、個々のカプセル燃料の外殻が破れ、外殻に封入されていた燃料が燃料塊となって気筒内の空気と初めて接触する。これにより、個々の燃料塊の表面から蒸発してゆき、燃料塊の周囲の空気が取り込まれて可燃混合気が燃料塊の周囲に形成される。圧縮行程が進行して気筒内の温度が混合気の着火温度に達すると燃料塊の周囲に形成された混合気が着火して燃焼が開始する。このときの燃焼は燃料塊の周囲から内部に向かって穏やかに進行するので、急激な燃焼による燃焼騒音を抑制できる。また、カプセル燃料の外殻が破れるまでは、複数のカプセル燃料が合体することがないので局所的な高温場の形成が防止されてＮＯｘの発生を抑制できる。また、この内燃機関によれば、気筒内の温度に左右されずにカプセル燃料の外殻が破れる時期を制御することができる。例えば、気筒内の温度に基づいてカプセル燃料の外殻が破れる時期を設定した場合には、機関始動時や高地低水温環境などでは気筒内の温度が低いため、その時期が通常よりも遅れたり、外殻がうまく破れなかったりする可能性がある。この内燃機関によれば、気筒内の温度に左右されずに所定時期に確実に外殻を破ることができるため信頼性が向上する。
【００１５】
本発明の一態様においては、前記レーザの照射時期が運転状態に応じて変化するように前記所定時期を設定する照射時期設定手段を更に備えてもよい（請求項１１）。この態様によれば、カプセル燃料が破れる時期を運転状態に応じて変化させることができる。このため、レーザの照射時期が一定の態様と比較して、様々な運転状態で安定的な燃焼を得ることが容易になる。
【００１６】
この態様において、前記照射時期設定手段は、機関回転速度が高いほど前記レーザの照射時期が早まるように前記所定時期を設定してもよい（請求項１２）。カプセル燃料の外殻が破れて燃料が気筒内の空気に触れてからその燃料が着火して燃焼するまでの時間は機関回転速度によらず略一定である。そのため、外殻が破れる時期つまりレーザの照射時期が一定であると、燃料が着火して燃焼に至る時期が機関回転速度が高くなるほど遅れることになる。そのため、ある機関回転速度で良好な出力トルクが得らたとしても、機関回転速度が高くなるに従って着火燃焼時期がずれることにより、十分な出力トルクが得られずに機関効率が悪化するおそれがある。この態様によれば、機関回転速度が高いほどレーザの照射時期が早まるように所定時間が設定されるため、着火燃焼時期のずれを抑制できる。これにより、機関回転速度に拘わらず機関効率を略一定に維持することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明の圧縮着火式内燃機関によれば、固体の外殻内に液体の燃料が封入されたカプセル燃料の集合体である燃料群が気筒内に供給される。カプセル燃料の外殻が破れるまでは外殻内に封入された燃料が気筒内の空気と触れることはないため燃料の蒸発が抑制される。個々のカプセル燃料の外殻が破れた後には、外殻に封入されていた燃料が燃料塊となって気筒内の空気と初めて接触し、個々の燃料塊はその表面から蒸発して可燃混合気が燃料塊の周囲に形成される。その混合気の燃焼は燃料塊の周囲から内部に向かって穏やかに進行するため急激な燃焼が抑制される。また、カプセル燃料の外殻が破れるまでは、複数のカプセル燃料が合体することがないので局所的な高温場の形成が防止されてＮＯｘの発生を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１の形態）
図１は本発明の圧縮着火式内燃機関の第１の形態の要部を示している。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載され、気筒内に存在する燃料を圧縮行程で自着火させる４ストローク１サイクル型の圧縮着火式内燃機関として構成されている。シリンダブロック２には気筒３が形成され、その気筒３と連通するように吸気通路４及び排気通路５がそれぞれ設けられている。気筒３には往復動自在にピストン６が設けられ、ピストン６はコネクティングロッド７を介してクランク軸８に連結される。吸気通路４にはこれを開閉する吸気弁９が設けられ、排気通路５にはこれを開閉する排気弁１０が設けられている。これらの弁９、１０は所定のバルブタイミングに従って開閉動作する。吸気通路４は所定の容積を持つチャンバ４ａを有している。
【００１９】
内燃機関１には気筒３内に後述する燃料群５０を供給するための燃料供給手段としての燃料供給装置１１が設けられている。燃料供給装置１１は吸気通路４のチャンバ４ａに燃料群５０を導入する燃料供給弁１２と、燃料群５０を蓄える燃料貯留手段としての燃料タンク１３と、燃料供給弁１２と燃料タンク１３とを結ぶ燃料供給通路１４と、燃料供給通路１４に設けられて燃料群５０を燃料供給弁１２に圧送する圧送手段としての予圧ポンプ１５とを備えている。燃料供給弁１２はチャンバ４ａ内への燃料群５０の導入とその停止とを切り替えることができるように構成されている。なおチャンバ４ａを省略することもできる。燃料供給弁１２には燃料群５０が吸気通路４の圧力よりも高い圧力で、換言すれば大気圧よりも僅かに高い圧力で予圧ポンプ１５にて圧送される。予圧ポンプ１５は電動機を駆動源としたポンプでもよいし、内燃機関１のクランク軸８を駆動源としてたポンプでもよい。
【００２０】
燃料タンク１３に蓄えられる燃料群５０はカプセル燃料５１の集合体である。図２はカプセル燃料５１の構造を説明する説明図である。図２に示すように、カプセル燃料５１は球状に構成され、固体の外殻５１ｂに液体の燃料としての軽油５１ａが封入されている。カプセル燃料５１の外径は数μｍから１ｍｍまでの範囲から選ばれた値に設定され、各カプセル燃料５１の外径はその設定値に揃えられて燃料群５０が構成される。
【００２１】
カプセル燃料５１は公知の製造方法にて製造できる。例えば、化学反応を利用する界面重合法を用いた場合、軽油に可溶なモノマー又はポリマー等の外殻の原料となる反応物Ａを軽油に溶解し、その反応物Ａを含有する軽油を軽油と溶け合わない分散媒に注入して撹拌することにより、反応物Ａを含有した軽油が油滴となって分散媒中に分散する。その分散媒に対して、分散媒に可溶なモノマー又はポリマー等の外殻の原料となる反応物Ｂを加えることにより、反応物Ａと反応物Ｂとが油滴界面で化学反応して反応生成物Ｃからなる外殻が形成される。こうして図３に示すカプセル燃料５１が製造される。カプセル燃料５１の外径は分散媒の撹拌速度を調整することで制御することができる。外殻５１ｂは、反応物Ａ及び反応物Ｂを製造条件に応じて適宜選択することで種々の材料で構成できる。例えば、外殻５１ｂはパラフィン、ろう等の炭化水素系高分子構造体で構成することもできるし、デンプン等の生分解性構造体で構成することもできる。カプセル燃料５１は、上記の界面重合法の他に、化学反応を利用するｉｎ−ｓｉｔｕ重合法や、化学反応を利用しない方法等の公知の製造方法を利用して製造することも可能である。
【００２２】
但し、外殻５１ｂの構成材料はカプセル燃料５１が気筒３内に供給されたときに軽油５１ａが外殻５１ｂに封入された状態に保持され、かつ圧縮行程において外殻５１ｂが破れることを条件として選択される。例えば、圧縮行程の上死点における気筒３内の温度以下で、かつ吸気行程における気筒３内の温度以上の温度範囲内に設定された所定温度で溶融又は昇華する材料を外殻５１ｂの構成材料として選択できる。外殻５１ｂの構成材料が変われば溶融又は昇華する温度が変わるので、その構成材料を適宜選択することにより圧縮行程において外殻５１ｂが破れるタイミングを制御することができる。例えば、外殻５１ｂの材料として、圧縮行程の上死点前２０°ＣＡ（クランクアングル）から上死点までにおける気筒３内の温度範囲内に設定された所定温度にて溶融又は昇華する材料を選択することもできる。
【００２３】
図１に示すように、燃料供給弁１２は駆動回路３１を介してエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０に接続されている。ＥＣＵ３０は内燃機関１の運転状態を適正に制御するために設けられたコンピュータである。ＥＣＵ３０は不図示の各種センサから入力される内燃機関１の機関回転数（回転速度）Ｎｅ、機関負荷Ｌ及びクランク角θ等の各種情報に基づいて燃料供給弁１２の動作を制御する。ＥＣＵ３０は燃料供給弁１２の開弁期間を調整することにより燃料に供される燃料群５０の量を制御している。
【００２４】
図３〜図６は内燃機関１の運転サイクルを説明する説明図であり、図３は吸気行程前を、図４は吸気行程を、図５は圧縮行程を、図６は爆発膨張行程をそれぞれ示している。図３に示すように、ＥＣＵ３０は吸気行程前のタイミングで燃料群５０がチャンバ４ａに導入されるように燃料供給弁１２を制御する。燃料群５０はカプセル燃料５１の集合体であるから従来技術のように燃料を霧化する必要がない。そのため、上述したように、大気圧よりも僅かに高い圧力で燃料群５０を燃料供給弁１２から噴出すれば足りる。
【００２５】
図４に示すように、吸気行程において吸気弁９が開弁されると、チャンバ４ａに導入された燃料群５０はピストン６の下降に伴って吸引されることにより気筒３内に供給される。次いで図５に示すように、圧縮行程ではクランク軸８が回転してピストン６が上昇すると吸気弁９が閉弁し、燃料群５０は気筒３内に分散しながら、空気と一緒に圧縮される。更にピストン６が上昇して気筒３内の温度及び圧力がそれぞれ上昇し、外殻５１ｂを構成する材料の溶融温度に達すると外殻５１ｂが破れ、外殻５１ｂに封入されていた軽油５０ａが燃料塊６０となって気筒３内の高温の空気と接触する。その接触と同時に燃料塊６０の周囲から蒸発が始まり、蒸発した燃料は空気と混合して燃料塊６０の周囲に可燃混合気を形成する。気筒３内の温度がその混合気の着火温度に達すると、燃料塊６０の周囲から燃焼を開始し、その燃焼による熱で燃料塊６０の蒸発が更に進み、燃料塊６０の中心に向かって燃焼が進行する。そして、図６に示すように、燃料塊６０の燃焼は一斉に引き起こされ、それにより気筒３内の圧力が上昇してピストン６が下方に押し下げられて、ピストン６の直線運動がコネクティングロッド７によりクランク軸８の回転運動に変換される。
【００２６】
内燃機関１のこのような燃焼はディーゼル燃焼と同様の拡散的燃焼形態を示す。図７は内燃機関１の気筒３内の圧力履歴の一例を実線Ｐ１で示し、図中の破線Ｐ２は噴射ノズルを利用する従来例の圧力履歴を、一点鎖線Ｐ３は気筒３内で燃焼を行わない場合の圧力履歴をそれぞれ示している。また図８は内燃機関１の気筒３内の温度履歴の一例を実線Ｔ１で示し、図中の破線Ｔ２は噴射ノズルを利用する従来例の温度履歴を、一点鎖線Ｔ３は気筒３内で燃焼を行わない場合の温度履歴をそれぞれ示している。なおこれらの図の横軸に記載された負号は上死点前を意味する。これらの図から明らかなように、内燃機関１は従来例と比べて圧力が穏やかに上昇していることが分かる。また、温度についてもその最高到達点が従来例に比べて低いので、高温場で形成されるＮＯｘが低減される。なお、図８に示す温度は気筒３内の総和状態を示しているが、個々の燃料塊６０についてもそのサイズが十分に小さいため局所的な高温場を形成することも防止できる。各燃料塊６０は気筒３内で偏りなく分布するので、燃料塊６０の周囲空気を十分に利用した煤の発生が少ない好ましい燃焼が実現される。
【００２７】
（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図９〜図１５を参照して説明する。以下、第２の形態の特徴部分を説明し、第１の形態との共通部分については、これらの図に第１の形態と同一符号を付して説明を省略する。
【００２８】
第２の形態のカプセル燃料５１は第１の形態のものと同様に、固体の外殻５１ｂに液体の燃料としての軽油５１ａが封入されている（図２参照）。但し、外殻５１ｂの構成材料は第１の形態と異なっている。この外殻５１ｂには光吸収成分としてのカーボンブラックが混入されている。このカーボンブラックは数μｍ程度の粒径を持つ微粒子であり、外殻５１ｂの主材料に対して所定の割合で配合されている。カプセル燃料５１は第１の形態と同様の方法で作成されている。外殻５１ｂの主材料は第１の形態のものと同様に、例えば、パラフィン、ろう等の炭化水素系高分子構造体で構成することもできるし、デンプン等の生分解性構造体で構成することもできる。外殻５１ｂにカーボンブラックが混入していることにより、カプセル燃料５１の外観は黒色を呈する。
【００２９】
ところで、特定波長を持つレーザに関してはそのエネルギーを吸収できる物質がある程度決まっている。このため、そのような物質に特定波長を持つレーザを照射することにより、その物質を選択的に発熱させることができる。黒色の色素を持つ材料の場合、一例として５３２ｎｍの波長を持つレーザをそのような材料に照射することにより、その色素がエネルギーを吸収して発熱することが知られている。本形態では、カプセル燃料５１の外殻５１ｂにカーボンブラックが配合されているため、そのような特定波長のレーザを照射することにより、カーボンブラックが発熱する。これにより、外殻５１ｂに含まれるカーボンブラックを９００Ｋ以上の赤熱状態にすることができる。このような状態になると、周囲温度に関わりなく外殻５１ｂの主材料が溶融又は昇華することになり外殻５１ｂが破れることになる。
【００３０】
本形態は、カプセル燃料５１のそのような性質を利用して外殻５１ｂが破れる時期を制御した点に特徴がある。図９は本発明の圧縮着火式内燃機関の第２の形態の要部を示している。この図に示すように、内燃機関１００には気筒３内に所定波長のレーザを照射するためのレーザ照射装置７０が設けられている。レーザ照射装置７０は、光源装置７１と、その光源装置７１から出力されたレーザを気筒３内に導く導光装置７２とを備えている。レーザ照射装置７０は本発明に係るレーザ照射手段に相当する。光源装置７１は周知のＹＡＧレーザとして構成されている。即ち、光源装置７１はイットリウム、アルミニウム、ガーネットからなる結晶ＹＡＧにネオジウムを混ぜたＮｄ−ＹＡＧを発振部として含み、その発振部から出力された１０６４ｎｍの波長を持つレーザを２倍波の５３２ｎｍの波長を持つレーザに変換して出力できるように構成されている。上述したように、カプセル燃料５１に５３２ｎｍの波長のレーザを照射することにより、カーボンブラックが赤熱して外殻５１ｂを破壊させることができる。
【００３１】
導光装置７２は気筒３の天井面中央部から内部に臨むように配置されたボアスコープ７３と、光源装置７１とボアスコープ７３とを結ぶ導光路７４とを備えている。ボアスコープ７３はレーザを所定のビーム径に拡大できるように構成されており、導光路７４は複数の光ファイバが束ねられることにより構成されている。
【００３２】
レーザ照射装置７０の動作は光源装置７１に接続されたＥＣＵ３０にて制御される。なお、ＥＣＵ３０とは別にレーザ照射装置７０を専用に制御するための制御装置を設けてもよい。図１０〜図１３は内燃機関１００の運転サイクルを説明する説明図であり、図１０は吸気行程前を、図１１は吸気行程を、図１２は圧縮行程を、図１３は爆発膨張行程をそれぞれ示している。内燃機関１００の基本的な動作は第１の形態と同一であり、その燃焼はディーゼル燃焼と同様の拡散的燃焼形態を示す。即ち、図１０に示すように、ＥＣＵ３０は吸気行程前のタイミングで燃料群５０がチャンバ４ａに導入されるように燃料供給弁１２を制御する。次に、図１１に示すように、吸気行程において吸気弁９が開弁されると、チャンバ４ａに導入された燃料群５０はピストン６の下降に伴って吸引されることにより気筒３内に供給される。次いで、図１２に示すように、圧縮行程ではクランク軸８が回転してピストン６が上昇すると吸気弁９が閉弁し、燃料群５０は気筒３内に分散しながら、空気と一緒に圧縮される。そして、機関回転速度に応じて設定された時期（クランク角）にレーザＬａが照射されるように光源装置７１の動作が制御される。それにより、カプセル燃料５１の外殻５１ｂに混入しているカーボンブラックが赤熱し、その発熱によって外殻５１ｂの主成分が溶融又は昇華して外殻５１ｂが破れる。外殻５１ｂが破れると、外殻５１ｂに封入されていた軽油５０ａが燃料塊６０となって気筒３内の高温の空気と接触する。その接触と同時に燃料塊６０の周囲から蒸発が始まり、蒸発した燃料は空気と混合して燃料塊６０の周囲に可燃混合気を形成する。気筒３内の温度がその混合気の着火温度に達すると、燃料塊６０の周囲から燃焼を開始し、その燃焼による熱で燃料塊６０の蒸発が更に進み、燃料塊６０の中心に向かって燃焼が進行する。そして、図１３に示すように、燃料塊６０の燃焼は一斉に引き起こされ、それにより気筒３内の圧力が上昇してピストン６が下方に押し下げられて、ピストン６の直線運動がコネクティングロッド７によりクランク軸８の回転運動に変換される。
【００３３】
レーザＬａの照射時期の設定及びレーザ照射装置７０の動作制御はＥＣＵ３０が図１４に示すレーザ照射制御の制御ルーチンを実行することにより実現される。図１４のルーチンのプログラムはＥＣＵ３０に保持されており、適時に読み出されて所定のクランク角毎に繰り返し実行される。図１４に示すように、ＥＣＵ３０は、まずステップＳ１において内燃機関１００の機関回転速度Ｎｅを取得する。機関回転速度Ｎｅはクランク角センサ（不図示）からの信号に基づいて取得されている。次に、ステップＳ２では、機関回転速度Ｎｅに応じた照射時期ｔを算出する。ＥＣＵ３０は機関回転速度Ｎｅを変数として照射時期ｔを与える図１５に示すマップを保持しており、ステップＳ１の取得結果とともにそのマップを参照することにより照射時期ｔを算出する。図１５のマップは一例であるが、機関回転速度Ｎｅが高いほど照射時期ｔが早まるように構成されている。しかも、そのマップはそれぞれの回転速度Ｎｅで最大のトルクを得ることができる照射時期ｔが与えられるように実験的に定められている。続くステップＳ３では、ＥＣＵ３０は照射時期ｔにてレーザＬａが気筒３内に照射されるように光源装置７１を操作する。その後、今回のルーチンを終了する。ステップＳ３におけるレーザＬａの照射期間は光源装置７１のレーザＬａの出力に応じたものに設定されており、気筒３内に導かれた燃料群５０の各カプセル燃料５１の外殻５１が十分に破かれるような時間に設定される。
【００３４】
図１４のルーチンによれば、機関回転速度に対して最大のトルクが得られる時期にレーザＬａが照射されることになるので、機関回転速度の変化に伴って燃料群５０の着火燃焼時期がずれるおそれがない。これにより、機関回転速度に拘わらず機関効率を最適に維持することができる。ＥＣＵ３０は、図１４のルーチンを実行することにより、本発明に係るレーザ制御手段として、図１４のステップＳ２を実行することにより、本発明に係る照射時期設定手段として、それぞれ機能する。
【００３５】
本発明は以上の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。燃料群５０の気筒３への供給は、吸気通路４への燃料群５０の導入によりこれを実現する図示の形態に代えて、従来のディーゼル機関のように気筒３内へ直接的に燃料群５０を導入して気筒３への燃料群５０の供給を実現することもできる。
【００３６】
上述した第１の形態では、カプセル燃料５１の外殻５１ｂの構成材料として、圧縮行程において溶融又は昇華する材料を選択しているが、外殻５１ｂの構成材料の種類を問わずその機械的強度が部分的に弱くなるように構成してもよい。この場合、圧縮行程における圧力により機械的強度が弱められた部分に応力が集中し、それを契機として外殻５１ｂが破れることになる。これにより、温度とは無関係に圧力だけで外殻５１ｂが破れるタイミングを制御することもできる。機械的強度を部分的に弱める方法としては、外殻５１ｂの一部に機械的な応力を一時的に加えることで、外殻５１ｂの一部に残留応力を保持させてその部分の機械的強度を弱めることができる。また、他の方法としては、外殻５１ｂの厚さを不均一とし、その厚さが最も薄い部分の機械的強度を弱めることができる。
【００３７】
また、上述した各形態においては、燃料群５０を構成するカプセル燃料５１が互いに反発し合うように、個々のカプセル燃料５１を同極性に帯電させてもよい。こうすることにより、燃料群５０が気筒３内に供給されたときに個々のカプセル燃料５１の距離が十分に確保されてカプセル燃料５１同士が接触し合うことが回避される。このため、気筒３内におけるカプセル燃料の分布の偏りが低減されて、燃焼が更に良好になる。
【００３８】
上述した第２の形態では、カプセル燃料５１の外殻５１ｂにカーボンブラックを光吸収成分として混入し、５３２ｎｍの波長を持つレーザを照射して外殻５１ｂを破壊しているが、これら光吸収成分及びレーザの波長は一例にすぎない。よって、様々な光吸収成分とレーザとの組み合わせにより本発明を実施することができる。例えば、カプセル燃料５１の外殻５１ｂに数μｍ程度の外径を持つＳｉＣ（炭化ケイ素）の微粒子を光吸収成分として混入し、その成分を発熱させることができる１０６４ｎｍの波長を持つレーザ（ＹＡＧレーザ）を照射して外殻５１ｂを破壊することもできる。
【００３９】
上述した各形態の内燃機関１は４ストローク１サイクル型の内燃機関であるが、本発明は２ストローク１サイクル型の内燃機関として実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の圧縮着火式内燃機関の第１の形態の要部を示した図。
【図２】図１に示したカプセル燃料の構造を説明する説明図。
【図３】図１の内燃機関の吸気行程前の状態を示した図。
【図４】図１の内燃機関の吸気行程の状態を示した図。
【図５】図１の内燃機関の圧縮行程の状態を示した図。
【図６】図１の内燃機関の爆発膨張行程の状態を示した図。
【図７】気筒内の圧力履歴の一例を示した図。
【図８】気筒内の温度履歴の一例を示した図。
【図９】本発明の圧縮着火式内燃機関の第２の形態の要部を示した図。
【図１０】図９の内燃機関の吸気行程前の状態を示した図。
【図１１】図９の内燃機関の吸気行程の状態を示した図。
【図１２】図９の内燃機関の圧縮行程の状態を示した図。
【図１３】図９の内燃機関の爆発膨張行程の状態を示した図。
【図１４】第２の形態に係るレーザ照射制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。
【図１５】機関回転速度を変数として照射時期を与えるマップの一例を示した図。
【符号の説明】
【００４１】
１、１００  内燃機関
３  気筒
４  吸気通路
１１  燃料供給装置（燃料供給手段）
１２  燃料供給弁
１３  燃料タンク（燃料貯留手段）
１４  燃料供給通路
１５  予圧ポンプ（圧送手段）
３０  ＥＣＵ（レーザ制御手段、照射時期設定手段）
５０  燃料群
５１  カプセル燃料
５１ａ  軽油（液体の燃料）
５１ｂ  外殻
７０  レーザ照射装置（レーザ照射手段）
【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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