(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ディーゼル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予混合圧縮着火式のディーゼルエンジン１に関し、燃焼室５に連通する制御室１１の容積を機械的に増減して幾何学的圧縮比を変更する可変圧縮比機構１４と、吸気弁９の閉作動を遅延または早めて実効圧縮比を変更する可変バルブタイミング機構１９と、これら可変圧縮比機構１４及び可変バルブタイミング機構１９を運転条件に応じ熱効率が極大値を採るように同時に制御する制御装置２８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予混合圧縮着火式のディーゼルエンジンであって、圧縮上死点における燃焼室の容積を機械的に増減して幾何学的圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、吸気弁の閉作動を遅延または早めて実効圧縮比を変更する可変バルブタイミング機構と、これら可変圧縮比機構及び可変バルブタイミング機構を運転条件に応じ熱効率が極大値を採るように同時に制御する制御装置とを備えたことを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
燃焼室に連通する制御室と、該制御室内に摺動自在に収容された容積画定部材と、該容積画定部材を制御室の燃焼室側への開放口に対し進退動せしめるアクチュエータとにより可変圧縮比機構を構成したことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
吸気弁のステムヘッドをバルブスプリングの弾撥力に抗して押し下げるアクチュエータにより可変バルブタイミング機構を構成したことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予混合圧縮着火式のディーゼル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】
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ディーゼル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予混合圧縮着火式のディーゼルエンジンであって、圧縮上死点における燃焼室の容積を機械的に増減して幾何学的圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、吸気弁の閉作動を遅延または早めて実効圧縮比を変更する可変バルブタイミング機構と、これら可変圧縮比機構及び可変バルブタイミング機構を運転条件に応じ熱効率が極大値を採るように同時に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、可変圧縮比機構により圧縮上死点における燃焼室の容積を機械的に増減することにより、幾何学的圧縮比を下げて圧縮温度を抑制し、しかも、可変バルブタイミング機構により吸気弁の閉作動を遅延または早めて実質的な圧縮開始時点を遅らせる、または早めて、該圧縮開始時点でのシリンダ容積を本来より少なくすることにより、実効圧縮比を通常の吸気弁の閉作動タイミングを採用した場合よりも下げて圧縮温度を抑制することが可能となるので、圧縮上死点より早いタイミングで燃料噴射を実行しても、燃料の着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせることが可能となる。
【００１０】
そして、可変圧縮比機構と可変バルブタイミング機構を併用して圧縮温度を抑制するにあたり、運転条件に応じて熱効率が極大値を採るように両機構を制御装置により同時に制御しているので、ただ単に燃料の着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせられるというだけでなく、幾何学的圧縮比と実効圧縮比の最適な組み合わせによる熱効率の極大値が得られることになる。
【００１１】
即ち、可変圧縮比機構と可変バルブタイミング機構の何れを単独で採用しても、燃料の着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせること自体は実現できるが、可変圧縮比機構により幾何学的圧縮比を下げるだけでは、特に高負荷の運転条件において低圧縮比により膨張仕事が減少して熱効率の低下が顕著となり、また、可変バルブタイミング機構により実効圧縮比を下げるだけでは、圧縮時のマイナス仕事または吸気時のマイナス仕事が増えて熱効率の低下が顕著となるので、何れを単独で採用した場合においても燃費面で問題がある。
【００１２】
然るに、可変圧縮比機構及び可変バルブタイミング機構を運転条件に応じ熱効率が極大値を採るように同時に制御すれば、燃料の着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせることが可能な幾何学的圧縮比と実効圧縮比の組み合わせのうちから熱効率の極大値を採り得る最適な組み合わせを選定することが可能となり、これによって、幾何学的圧縮比を下げた場合の膨張仕事の減少による損失と、実効圧縮比を下げた場合の圧縮または吸入のマイナス仕事の増大による損失とを最小限に抑えることが可能となる。
【００１３】
また、本発明をより具体的に実施するに際しては、例えば、燃焼室に連通する制御室と、該制御室内に摺動自在に収容された容積画定部材と、該容積画定部材を制御室の燃焼室側への開放口に対し進退動せしめるアクチュエータとにより可変圧縮比機構を構成したり、吸気弁のステムヘッドをバルブスプリングの弾撥力に抗して押し下げるアクチュエータにより可変バルブタイミング機構を構成したりすることが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
上記した本発明のディーゼルエンジンによれば、燃料の投入タイミングを圧縮上死点より早めても、その着火を圧縮上死点付近まで遅らせることができ、しかも、幾何学的圧縮比を下げた場合の膨張仕事の減少による損失と、実効圧縮比を下げた場合の圧縮または吸入のマイナス仕事の増大による損失とを最小限に抑え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という優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１〜図７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。
【００１７】
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と連通するように制御室１１が設けられており、該制御室１１内に容積画定部材１２が摺動自在に収容されていると共に、該容積画定部材１２が油圧式のアクチュエータ１３により制御室１１の燃焼室５側への開放口に対し進退動されるようになっており、これら制御室１１と容積画定部材１２とアクチュエータ１３とにより、前記制御室１１の容積を機械的に増減して幾何学的圧縮比を変更する可変圧縮比機構１４（ＶＣＲ機構：Variable Compression Ratio）が構成されている。
【００１８】
また、ここに図示している例においては、排気弁７及び吸気弁９のステムヘッド７ａ，９ａをバルブスプリング１５，１６の弾撥力に抗して押し下げる油圧式のアクチュエータ１７，１８が備えられており、特に吸気弁９の開弁操作を担うアクチュエータ１８により、前記吸気弁９の閉作動を遅延または早めて実効圧縮比を変更する可変バルブタイミング機構１９（ＶＶＴ機構：Variable Valve Timing）が構成されている。
【００１９】
ここで、前述した各アクチュエータ１３，１７，１８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２０，２１，２２を介し作動油タンク２３からの作動油２４を給排し得るようにしてある。
【００２０】
より具体的には、各サーボ弁２０，２１，２２を図１中の下段位置に切り換えた際に、作動油タンク２３から供給ポンプ２５により送り出された作動油２４が各アクチュエータ１３，１７，１８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２０，２１，２２を図１中の上段位置に切り換えた際には、作動油タンク２３から供給ポンプ２５により送り出された作動油２４が各アクチュエータ１３，１７，１８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２０，２１，２２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１３，１７，１８の昇降位置が保持されるようになっている。尚、図１中における２６，２７は系内の圧力変動を緩和するためのアキュムレータを示している。
【００２１】
前記各サーボ弁２０，２１，２２の三位置の切り換え操作に関しては、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２８からの切り換え指令２０ａ，２１ａ，２２ａにより制御されるようになっている。
【００２２】
他方、この制御装置２８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おり、ここで判る運転条件に応じ前記各サーボ弁２０，２１，２２の切り換え操作が適切に実行されるようにしてある。
【００２３】
即ち、制御装置２８では、運転条件に応じアクチュエータ１３により容積画定部材１２の位置を決め、これにより制御室１１の容積を機械的に増減して燃焼室５に加算することにより、幾何学的圧縮比を制御室１１が無い場合よりも下げて圧縮温度を抑制する一方、アクチュエータ１８により吸気弁９の閉作動を遅延または早めて実質的な圧縮開始時点を遅らせ、該圧縮開始時点でのシリンダ容積を本来より少なくすることにより、実効圧縮比を通常の吸気弁９の閉作動タイミングを採用した場合よりも下げて圧縮温度を抑制するようにしてあるが、熱効率の極大値が得られる幾何学的圧縮比と実効圧縮比の最適な組み合わせが運転条件に応じ制御マップなどから読み出され、その最適な組み合わせの幾何学的圧縮比と実効圧縮比を実行するべく可変圧縮比機構１４及び可変バルブタイミング機構１９が同時に制御されるようにしてある。
【００２４】
而して、このようにディーゼルエンジン１を構成すれば、可変圧縮比機構１４を成すアクチュエータ１３により制御室１１の容積を容積画定部材１２で機械的に増減して燃焼室５に加算することにより、幾何学的圧縮比を制御室１１が無い場合よりも下げて圧縮温度を抑制し、しかも、可変バルブタイミング機構１９を成すアクチュエータ１８により吸気弁９の閉作動を遅延または早めて実質的な圧縮開始時点を遅らせ、通常の吸気弁９の閉作動タイミングを採用した場合（図２参照）よりも、圧縮開始時点でのシリンダ容積を少なくする（図３参照）ことにより、実効圧縮比を下げて圧縮温度を抑制することが可能となるので、圧縮上死点より早いタイミングで燃料噴射を実行しても、燃料の着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせることが可能となる。
【００２５】
そして、本形態例においては、可変圧縮比機構１４と可変バルブタイミング機構１９を併用して圧縮温度を抑制するにあたり、運転条件に応じて熱効率が極大値を採るように両機構を制御装置２８により同時に制御しているので、ただ単に燃料の着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせられるというだけでなく、幾何学的圧縮比と実効圧縮比の最適な組み合わせによる熱効率の極大値が得られることになる。
【００２６】
即ち、可変圧縮比機構１４と可変バルブタイミング機構１９の何れを単独で採用しても、燃料の着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせること自体は実現できるが、図４のグラフに実線で示す如く、可変圧縮比機構１４により幾何学的圧縮比を下げるだけでは、通常の圧縮比の場合（図４中の一点鎖線を参照）と比較して、特に高負荷の運転条件において低圧縮比により膨張仕事が減少（図４中の斜線部を参照）して熱効率の低下が顕著となり、また、図５のグラフに吸気弁９の閉作動を遅延させた場合を実線で例示している通り、可変バルブタイミング機構１９により実効圧縮比を下げるだけでは、通常の圧縮比の場合（図５中の一点鎖線を参照）と比較して、圧縮時のマイナス仕事（図５中の斜線部を参照：吸気弁９の閉作動を早めて実効圧縮比を下げた場合には吸入時のマイナス仕事が増えることになる。）が増えて熱効率の低下が顕著となるので、何れを単独で採用した場合においても燃費面で問題があることが否めない。尚、図４及び図５のグラフは横軸にシリンダ容積［Ｖ］をとり、縦軸にシリンダ圧力［Ｐ］をとって両対数表示にしてある。
【００２７】
そこで、本発明者らは、鋭意研究の末に幾何学的圧縮比と実効圧縮比の最適な組み合わせを選定することで可変圧縮比機構１４及び可変バルブタイミング機構１９の単独採用では到底得られない高い熱効率を実現できる事実を見いだし、可変圧縮比機構１４と可変バルブタイミング機構１９を併用し、運転条件に応じて熱効率が極大値を採るように両機構を制御装置２８により同時に制御するディーゼルエンジン１を創案するに到ったのである。
【００２８】
より具体的に述べれば、図６のグラフに示す如く、横軸に実効圧縮比［実ε］をとり、縦軸に幾何学的圧縮比［ε］をとって表した場合に、熱発生ピークが同時期になる幾何学的圧縮比と実効圧縮比の組み合わせは右肩上がりの線上に並ぶことになり、熱発生ピークの時期が圧縮上死点［ＴＤＣ］付近となるような右肩上がりの線上に並ぶ幾何学的圧縮比と実効圧縮比の組み合わせを適宜に選定すれば、燃料の着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせることが容易に実現できることになる。
【００２９】
ただし、図７に図６と同じ横軸と縦軸の関係のおいて熱効率の等高線（図面に対し垂直方向の高さを表す等高線）を重ね合わせた場合、熱発生ピークが圧縮上死点付近で一致するような幾何学的圧縮比と実効圧縮比の組み合わせであっても、熱効率の極大値が得られる組み合わせは、熱効率の等高線で最も高い領域に含まれる極一部だけであり、しかも、このような熱効率の等高線の分布は運転条件により異なるものになる。尚、図７中におけるクロスハッチング部分は失火エリアを示している。
【００３０】
そこで、可変圧縮比機構１４と可変バルブタイミング機構１９を運転条件に応じ熱効率が極大値を採るように制御装置２８により同時に制御すれば、燃料の着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせることが可能な幾何学的圧縮比と実効圧縮比の組み合わせのうちから熱効率の極大値を採り得る最適な組み合わせを選定することが可能となり、これによって、幾何学的圧縮比を下げた場合の膨張仕事の減少による損失と、実効圧縮比を下げた場合の圧縮マイナス仕事の増大による損失とを最小限に抑えることが可能となるのである。
【００３１】
従って、上記形態例によれば、燃料の投入タイミングを圧縮上死点より早めても、その着火を圧縮上死点付近まで遅らせることができ、しかも、幾何学的圧縮比を下げた場合の膨張仕事の減少による損失と、実効圧縮比を下げた場合の圧縮または吸入のマイナス仕事の増大による損失とを最小限に抑え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】
尚、本発明のディーゼルエンジンは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、可変圧縮比機構及び可変バルブタイミング機構に図示以外の構成を採用しても良いこと、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】
【００３３】
【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】通常の圧縮開始時点でのシリンダ容積を示す概略図である。
【図３】本形態例の圧縮開始時点でのシリンダ容積を示す概略図である。
【図４】可変圧縮比機構の単独採用での膨張仕事の減少を示すグラフである。
【図５】可変バルブタイミング機構の単独採用での圧縮マイナス仕事の増大を示すグラフである。
【図６】幾何学的圧縮比と実効圧縮比の組み合わせによる熱発生ピーク時期の違いを示すグラフである。
【図７】幾何学的圧縮比と実効圧縮比の組み合わせによる熱効率の等高線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  ディーゼルエンジン
５  燃焼室
９  吸気弁
９ａ  ステムヘッド
１１  制御室
１２  容積画定部材
１３  アクチュエータ
１４  可変圧縮比機構
１６  バルブスプリング
１８  アクチュエータ
１９  可変バルブタイミング機構
２８  制御装置
【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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