(57)【要約】【課題】従来より負荷の高い運転条件下においても出力低下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５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、シリンダヘッド２に燃焼室５と連通するように設けられた副室１１と、該副室１１と燃焼室５との間を開閉する制御弁１２と、前記副室１１内の残留ガスの熱を外部に逃がす除熱手段（多孔質材１７，放熱板１８）と、前記制御弁１２を圧縮行程の途中で開けて燃料噴射直前に閉じる制御装置とを備える。【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、シリンダヘッドに燃焼室と連通するように設けられた副室と、該副室と燃焼室との間を開閉する制御弁と、前記副室内の残留ガスの熱を外部に逃がす除熱手段と、前記制御弁を圧縮行程の途中で開けて燃料噴射直前に閉じ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】
副室内に埋め込まれた熱伝導率の良い多孔質材と、該多孔質材に対し熱伝達可能に当接した外気解放の放熱板とにより除熱手段を構成したことを特徴とする請求項１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等では、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してしま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着火して大幅な燃費悪化を招いてしまう結果となり、現状では軽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】
このため、先の特許文献１にも開示されている通り、シリンダヘッドに燃焼室と常時連通する補助室を設け且つ該補助室内にスライダを摺動自在に設けて可変圧縮比機構を構成し、スライダを退行させて燃焼室への連通空間の容積を機械的に増やすことで何学的圧縮比を下げ、これにより圧縮温度を下げて過早着火を抑制することが提案されているが、圧縮上死点における燃焼室の容積が補助室の連通空間分だけ大きくなり、補助室のない通常のエンジンと同じ燃料分が燃焼したとしても筒内圧力が同じように上がらないため、膨張行程時の出力低下が避けられないという問題があった。
【０００８】
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出力低下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】
【０００９】
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、シリンダヘッドに燃焼室と連通するように設けられた副室と、該副室と燃焼室との間を開閉する制御弁と、前記副室内の残留ガスの熱を外部に逃がす除熱手段と、前記制御弁を圧縮行程の途中で開けて燃料噴射直前に閉じる制御装置とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
而して、このようにすれば、制御弁を圧縮行程の途中で開けて実効圧縮比を低下することで圧縮温度を下げ、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可能になり、しかも、燃焼時には制御弁を閉じて圧縮上死点における燃焼室の容積を副室のない通常エンジンと同じ容積に戻しているので、燃料の燃焼により十分に筒内圧力を高めて膨張行程時の出力低下を回避することが可能となる。
【００１１】
他方、副室に封じられた残留ガスは、次のサイクルの圧縮行程で制御弁が開いた時に気筒内に放出され、そのサイクルでの燃焼に利用されることになるので、気筒内に押し込まなければならない必要空気量は、連続的な燃焼サイクルの繰り返しの中で毎回確保される。
【００１２】
この際、副室から気筒内に放出される残留ガスは、副室内に封じられている間に除熱手段により熱を外部へ逃がされ、制御弁が開いた時に気筒内に戻される熱エネルギが毎回減じられているので、副室内の残留ガスが気筒内に放出されても圧縮温度（圧縮圧力）は低く保たれることになる。
【００１３】
尚、単純に実効圧縮比を低下するだけならば、吸気弁の閉時期を遅延させて圧縮開始時点での実質的な筒内容積を少なくするという手法が既に確立しているが、これでは通常のタイミングで吸気弁を閉じる場合と同じ空気量を気筒内に押し込むのに高い吸気圧力（高過給能力）が必要となり、通常の吸気圧力では出力低下が避けられないのに対し、本発明の圧縮着火エンジンでは、その必要空気量の確保に関し通常の吸気圧力で済むという利点もある。
【００１４】
更に、本発明をより具体的に実施するに際しては、副室内に埋め込まれた熱伝導率の良い多孔質材と、該多孔質材に対し熱伝達可能に当接した外気解放の放熱板とにより除熱手段を構成することが可能である。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【００１６】
（Ｉ）制御弁を圧縮行程の途中で開けて実効圧縮比を低下することで圧縮温度を下げ、これにより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、しかも、燃焼時には制御弁を閉じて圧縮上死点における燃焼室の容積を副室のない通常エンジンと同じ容積に戻し、これにより燃料の燃焼による十分に高い筒内圧力を得ることができるので、従来より負荷の高い運転条件下においても出力低下を回避しつつ予混合圧縮着火を実現でき、予混合圧縮着火による運転可能領域を従来より大幅に拡大することができる。
【００１７】
（ＩＩ）通常エンジンと比較した場合、燃料の発熱量が同じでも圧縮温度が低く抑えられるので、同一のＥＧＲ率及び空気過剰率ならばＮＯxの生成量をより効果的に抑制することができる。
【００１８】
（ＩＩＩ）燃焼時には制御弁を閉じて副室内が高温に晒されないようにしているので、除熱手段を成す多孔質材や放熱板等に耐熱性の高い特殊な材質を選定しなくて済み、これにより除熱手段にかかるコストの高騰を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
図１〜図５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はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４はピストン、５は燃焼室、６は排気ポート、７は排気弁、８は吸気ポート、９は吸気弁、１０は燃焼室５内に燃料を圧縮上死点より早いタイミングで噴射するためのインジェクタを夫々示しており、前記吸気弁９及び排気弁７は、図示しないエンジン駆動のカムシャフトに備えたカムによりプッシュロッドやロッカーアームを介して各気筒毎の行程に応じた適切なタイミングで開弁操作されるようになっている。
【００２１】
そして、シリンダヘッド２における吸気ポート８及び排気ポート６から独立した位置には、燃焼室５と連通するように副室１１が設けられており、該副室１１と前記燃焼室５との間が制御弁１２により開閉されるようになっている。
【００２２】
ここで、図２に示す如く、この制御弁１２の開閉作動と前記インジェクタ１０の噴射作動に関しては、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１３からの開弁指令１２ａ及び燃料噴射指令１０ａにより制御されるようになっており、より具体的には、圧縮行程後期の圧縮上死点より早いタイミングで前記インジェクタ１０に燃料噴射指令１０ａを出力して燃料を噴射せしめ、前記制御弁１２を常時閉として圧縮行程前期の途中から圧縮行程後期の燃料噴射直前までの間でだけ前記制御弁１２の電磁式アクチュエータ１４に開弁指令１２ａを出力して開弁せしめるようにしてある。
【００２３】
尚、この制御装置１３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１５（負荷センサ）からのアクセル開度信号１５ａ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１６からの回転数信号１６ａ等が入力されており、各種のエンジン制御を実行するべくディーゼルエンジン１の運転状態が常に監視されるようになっている。
【００２４】
更に、本形態例においては、前記副室１１内の残留ガスの熱を外部に逃がす除熱手段として、前記副室１１内に熱伝導率の良い多孔質材１７が埋め込まれ、該多孔質材１７の頂部に対し熱伝達可能に当接した放熱板１８が外気に解放された状態で設置されている。
【００２５】
而して、このようにディーゼルエンジン１を構成すれば、図１に示す圧縮行程の途中から制御弁１２を開けて副室１１の容積分を加算することにより実効圧縮比を低下して圧縮温度を下げ、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可能になる。
【００２６】
しかも、図３に示す圧縮行程後期の燃料噴射直前に制御弁１２を閉じ、圧縮上死点における燃焼室５の容積を副室１１のない通常エンジンと同じ容積に戻して燃料を燃焼させるようにしているので、該燃料の燃焼により十分に筒内圧力を高めて図４に示す膨張行程時の出力低下を回避することが可能となる。
【００２７】
図５は本形態例の圧縮行程における筒内圧力とシリンダ容積との関係をＰ−Ｖ線図で示したものであり、通常エンジンの圧縮行程はＡ-Ｂ-Ｃ-Ｄとなるが、本形態例の如く制御弁１２を圧縮行程の途中で開けて燃料噴射直前に閉じる場合はＡ-Ｂ-ｂ-ｃ-ｄとなり、制御弁１２が開いているＢ-ｂ-ｃの間で実効圧縮比が低下して筒内圧力の上昇が緩慢化し、これにより圧縮温度の上昇も抑制されて最終的な到達温度が低くなる。
【００２８】
他方、副室１１に封じられた残留ガスは、次のサイクルの圧縮行程で制御弁１２が開いた時に気筒内に放出され、そのサイクルでの燃焼に利用されることになるので、気筒内に押し込まなければならない必要空気量は、連続的な燃焼サイクルの繰り返しの中で毎回確保される。
【００２９】
この際、副室１１から気筒内に放出される残留ガスは、副室１１内に封じられている間に多孔質材１７を介し放熱板１８へ導かれて該放熱板１８から外気へ逃がされ、制御弁１２が開いた時に気筒内に戻される熱エネルギが毎回減じられているので、副室１１内の残留ガスが気筒内に放出されても圧縮温度（圧縮圧力）は低く保たれることになる。
【００３０】
尚、単純に実効圧縮比を低下するだけならば、吸気弁９の閉時期を遅延させて圧縮開始時点での実質的な筒内容積を少なくするという手法が既に確立しているが、これでは通常のタイミングで吸気弁９を閉じる場合と同じ空気量を気筒内に押し込むのに高い吸気圧力（高過給能力）が必要となり、通常の吸気圧力では出力低下が避けられないのに対し、本発明の圧縮着火エンジンでは、その必要空気量の確保に関し通常の吸気圧力で済むという利点もある。
【００３１】
従って、上記形態例によれば、制御弁１２を圧縮行程の途中で開けて実効圧縮比を低下することで圧縮温度を下げ、これにより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、しかも、燃焼時には制御弁１２を閉じて圧縮上死点における燃焼室５の容積を通常エンジンと同じ容積に戻し、これにより燃料の燃焼による十分に高い筒内圧力を得ることができるので、従来より負荷の高い運転条件下においても出力低下を回避しつつ予混合圧縮着火を実現でき、予混合圧縮着火による運転可能領域を従来より大幅に拡大することができる。
【００３２】
また、通常エンジンと比較した場合、燃料の発熱量が同じでも圧縮温度が低く抑えられるので、同一のＥＧＲ率及び空気過剰率ならばＮＯxの生成量をより効果的に抑制することができる。
【００３３】
更に、燃焼時には制御弁１２を閉じて副室１１内が高温に晒されないようにしているので、除熱手段を成す多孔質材１７や放熱板１８に耐熱性の高い特殊な材質を選定しなくて済むことになり、除熱手段にかかるコストの高騰を回避することができる。
【００３４】
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、また、除熱手段は必ずしも図示例の如き多孔質材と放熱板との組み合わせから成るものに限定されず、多孔質材の替わりに副室の内壁に凹凸やフィン等を付して放熱板に伝熱し得るような構成としたり、エンジン冷却水を利用した水冷式の機構としたりしても良いこと、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】
【００３５】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す圧縮行程の概略図である。
【図２】図１の制御弁及びインジェクタの制御に関する系統図である。
【図３】図１のディーゼルエンジンの燃料噴射時の状態を示す概略図である。
【図４】図１のディーゼルエンジンの膨張行程の状態を示す概略図である。
【図５】筒内圧力とシリンダ容積との関係を示すＰ−Ｖ線図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ディーゼルエンジン（圧縮着火エンジン）
２  シリンダヘッド
５  燃焼室
１１  副室
１２  制御弁
１３  制御装置
１７  多孔質材（除熱手段）
１８  放熱板（除熱手段）
【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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