(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１８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く且つその吸収した熱を気筒外へ円滑に除去し易い適宜な箇所（ピストン１４の頂部）に蓄熱材１５を配置する。圧縮時に蓄熱材１５に熱を吸収させて圧縮温度を下げ、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延させ、しかも、着火時に蓄熱材１５に発熱量の一部を吸収させて燃焼温度を抑え、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。【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く且つその吸収した熱を気筒外へ円滑に除去し易い適宜な箇所に蓄熱材を配置したことを特徴とする圧縮着火エンジン。
【請求項２】
蓄熱材をピストン頂部に埋め込んで配置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。
【請求項３】
排気管の途中にＮＯx低減触媒を装備した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】
原料を毛のように細くしてブラシ状に土台に植え込んだ蓄熱材を採用した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く且つその吸収した熱を気筒外へ円滑に除去し易い適宜な箇所に蓄熱材を配置したことを特徴とするものである。
【０００９】
而して、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】
本発明をより具体的に実施するに際しては、例えば、蓄熱材をピストン頂部に埋め込んで配置すると良く、このようにすれば、圧縮時及び燃焼時に蓄熱材が常に燃焼室に面して効率良く熱が吸収され、しかも、その吸収した熱が速やかにピストンに伝わり、該ピストン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円滑に除去される。
【００１２】
更に、本発明においては、排気管の途中にＮＯx低減触媒を装備することが好ましく、このようにすれば、中・高負荷時に排気温度が十分に上昇して活性が高まったＮＯx低減触媒により良好なＮＯx低減効果が得られるので、中・高負荷時のＮＯx対策をＮＯx低減触媒に分担させることで蓄熱材の熱容量を低負荷用に最適化させることが可能となり、低負荷時に蓄熱材の熱容量が過多となって出力低下を招く虞れが未然に回避される。
【００１３】
他方、ＮＯx低減触媒側からすれば、低負荷時に排気温度が低いためにＮＯx低減触媒の触媒活性が低下しても、低負荷時における筒内ガスの熱容量に対し蓄熱材の熱容量が十分に大きいため、該蓄熱材によるＮＯx生成の抑制効果が顕著に現れ、低負荷時のＮＯx対策に関しＮＯx低減触媒への依存度が軽減されることになる。
【００１４】
また、原料を毛のように細くしてブラシ状に土台に植え込んだ蓄熱材を採用しても良く、このようにすれば、同じ重さの原料に対し有効表面積を効率良く確保することが可能となり、しかも、蓄熱材としての有効表面積や空隙率が設定し易くなるという利点がある。
【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）圧縮時に蓄熱材に熱を吸収させ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るので、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ができる。
【００１７】
（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。
【００１８】
（ＩＩＩ）蓄熱材をピストン頂部に埋め込んで配置した構成を採用すれば、圧縮時及び燃焼時に蓄熱材を常に燃焼室に臨ませて効率良く熱を吸収させることができ、しかも、その吸収した熱を速やかにピストンに伝えて該ピストン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円滑に除去することができる。
【００１９】
（ＩＶ）排気管の途中にＮＯx低減触媒を装備した構成を採用すれば、中・高負荷時のＮＯx対策をＮＯx低減触媒に分担させて蓄熱材の熱容量を低負荷用に最適化させることができるので、低負荷時に蓄熱材の熱容量が過多となって出力低下を招く虞れを未然に回避することができ、しかも、低負荷時に排気温度が低いためにＮＯx低減触媒の触媒活性が低下しても、これを蓄熱材によるＮＯx生成の抑制効果により補うことができるので、低負荷時のＮＯx対策に関しＮＯx低減触媒への依存度を従来より大幅に軽減することもできる。
【００２０】
（Ｖ）原料を毛のように細くしてブラシ状に土台に植え込んだ蓄熱材を採用すれば、同じ重さの原料に対し有効表面積を効率良く確保することができ、しかも、蓄熱材としての有効表面積や空隙率を設定し易くすることができる。
【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に図示しているディーゼルエンジン１においては、排出ガス２が流通する排気管３の途中に、排出ガス２中のＮＯxと還元剤との反応選択性を高めた選択還元型触媒４（ＮＯx低減触媒）がケーシング５に抱持されて装備されており、この選択還元型触媒４の上流側には、図示しない還元剤添加装置により適宜に還元剤が添加されるようになっている。
【００２３】
また、このディーゼルエンジン１では、ＥＧＲパイプ６により排気管３と吸気管７との間が接続されており、このＥＧＲパイプ６の途中に備えたＥＧＲバルブ８を介し排出ガス２の一部を吸入空気９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てある。
【００２４】
更に、ディーゼルエンジン１の各気筒の頂部には、燃料（軽油）を気筒内に噴射するインジェクタ１０が装備されており、該インジェクタ１０の噴射作動については、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１１からの燃料噴射指令１０ａにより制御されるようになっており、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るようにしてある。
【００２５】
他方、この制御装置１１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１２（負荷センサ）からのアクセル開度信号１２ａ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１３からの回転数信号１３ａなどが入力されており、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。
【００２６】
そして、斯かるディーゼルエンジン１のピストン１４頂部には、融点の高いチタン合金などを原料とした蓄熱材１５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、特に図示する例では、原料を毛のように細くした線材１６（極細の棒状部材、薄く細長い板状部材など）をブラシ状に土台１７に植え込んだ蓄熱材１５が採用されている（図２参照）。
【００２７】
ここで、斯かる蓄熱材１５の構造は、同じ重さの原料に対し熱の授受に必要な有効表面積を効率良く確保するために採用されたものであり、しかも、このような構造の採用によれば、線材１６の植え込み数や植え込み間隔を調整することで有効表面積や空隙率の設定が容易となる。即ち、平板部材に微細孔を無数に開けて蓄熱材とした場合には空隙率をあまり高くできず、また、出来合いの軽石状の多孔質部材を蓄熱材とした場合には有効表面積や空隙率の任意設定が難しくなるという不都合がある。
【００２８】
尚、図中１８は燃焼室、１９は排気ポート、２０は排気弁、２１は吸気ポート、２２は吸気弁を示しており、該吸気弁２２及び前記排気弁２０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。
【００２９】
而して、このようなディーゼルエンジン１を構成すれば、圧縮時に蓄熱材１５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１５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。
【００３０】
即ち、制御装置１１からの燃料噴射指令１０ａにより圧縮上死点より早いタイミングでインジェクタ１０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１５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。
【００３１】
また、着火時に蓄熱材１５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。
【００３２】
尚、特に本形態例の如く、蓄熱材１５がピストン１４頂部に配置されていると、圧縮時及び燃焼時に蓄熱材１５が常に燃焼室１８に面して効率良く熱が吸収され、しかも、その吸収した熱が速やかにピストン１４に伝わり、該ピストン１４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円滑に除去されることになる。
【００３３】
更に、本形態例においては、排気管３の途中に選択還元型触媒４を装備しているので、中・高負荷時に排気温度が十分に上昇して活性が高まった選択還元型触媒４により良好なＮＯx低減効果が得られ、中・高負荷時のＮＯx対策を選択還元型触媒４に分担させることで蓄熱材１５の熱容量を低負荷用に最適化させることが可能となり、低負荷時に蓄熱材１５の熱容量が過多となって出力低下を招く虞れが未然に回避される。
【００３４】
他方、選択還元型触媒４側からすれば、低負荷時に排気温度が低いために選択還元型触媒４の触媒活性が低下しても、低負荷時における筒内ガスの熱容量に対し蓄熱材１５の熱容量が十分に大きいため、該蓄熱材１５によるＮＯx生成の抑制効果が顕著に現れ、低負荷時のＮＯx対策に関し選択還元型触媒４への依存度が軽減されることになる。
【００３５】
従って、上記形態例によれば、圧縮時に蓄熱材１５に熱を吸収させ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るので、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１５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ができる。
【００３６】
更に、着火時に蓄熱材１５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。
【００３７】
また、特に本形態例においては、中・高負荷時のＮＯx対策を選択還元型触媒４に分担させて蓄熱材１５の熱容量を低負荷用に最適化させることができるので、低負荷時に蓄熱材１５の熱容量が過多となって出力低下を招く虞れを未然に回避することができ、しかも、低負荷時に排気温度が低いために選択還元型触媒４の触媒活性が低下しても、これを蓄熱材１５によるＮＯx生成の抑制効果により補うことができるので、低負荷時のＮＯx対策に関し選択還元型触媒４への依存度を従来より大幅に軽減することもできる。
【００３８】
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、蓄熱材の構造は図示例に限定されないこと、更に、ＮＯx低減触媒には選択還元型触媒以外にＮＯx吸蔵還元触媒などを適宜に採用し得ること、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】
【００３９】
【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】図１の蓄熱材の詳細を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  ディーゼルエンジン（圧縮着火エンジン）
３  排気管
４  選択還元型触媒（ＮＯx低減触媒）
１０  インジェクタ
１０ａ  燃料噴射指令
１１  制御装置
１４  ピストン
１５  蓄熱材
１６  線材
１７  土台
１８  燃焼室
【図１】
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【図２】
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