(57)【要約】【課題】単一の燃料により、予混合圧縮着火方式と火花着火方式とを使い分けることことができる内燃機関を提供する。【解決手段】炭化水素を含む燃料を用いる内燃機関において、該燃料は全体の１０〜７０重量％のｏ−キシレンを含み、負荷に応じて予混合圧縮着火と火花着火とを使い分けることを特徴とする。前記内燃機関は、低中負荷時には予混合圧縮着火を用い、高負荷時には火花着火を用いる。前記燃料は、全体の３０〜５０重量％のｏ−キシレンを含む。前記燃料は、例えば、ｎ−ヘプタンにｏ−キシレンを全体の５０重量％になるように添加した燃料である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む燃料を用いる内燃機関において、該燃料は全体の１０〜７０重量％のｏ−キシレンを含み、負荷に応じて予混合圧縮着火と火花着火とを使い分けることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃料は、全体の３０〜５０重量％のｏ−キシレンを含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素を含む燃料を用いる内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭化水素を含む燃料を用いる内燃機関において、ＮＯｘ、煤などの汚染物質の排出量を低減するために、予混合圧縮着火方式を採用することが検討されている。前記予混合圧縮着火方式を用いる内燃機関は、燃料と空気とを予め混合し、得られた混合気を圧縮して自着火せしめるものである。前記予混合圧縮着火方式を用いる内燃機関によれば、均一で稀薄な混合気を燃焼させるため、燃焼温度が高温とならず、ＮＯｘの生成量を低く抑えることができ、燃焼室内で前記混合気が均一に燃焼するので、煤の生成量を低く抑えることができる。
【０００３】
ところが、前記予混合圧縮着火方式を用いる内燃機関では、燃焼室内の温度と圧力とによって着火時期が決まってしまうので、着火制御が難しく、低中負荷、低中回転時でしか、安定に運転できないという問題がある。
【０００４】
一方、火花着火方式を用いる内燃機関では、燃焼室内の混合気に火花により着火するので、火花を発生する時期を適切に設定しておけば、高負荷、高回転時においても、前記混合気を確実に燃焼せしめ、安定に運転することができる。そこで、負荷に応じて、前記予混合圧縮着火方式と前記火花着火方式とを使い分ける内燃機関が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、前記予混合圧縮着火方式では着火性の高い燃料を必要とするのに対して、前記火花着火方式では着火性の低い燃料を必要とするので、内燃機関で単一の燃料により前記予混合圧縮着火方式と前記火花着火方式とを使い分けることは難しいという不都合がある。
【特許文献１】特開２００４−１５０３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる不都合を解消して、単一の燃料により、予混合圧縮着火方式と火花着火方式とを使い分けることことができる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】
【０００７】
かかる目的を達成するために、本発明は、炭化水素を含む燃料を用いる内燃機関において、該燃料は全体の１０〜７０重量％のｏ−キシレンを含み、負荷に応じて予混合圧縮着火と火花着火とを使い分けることを特徴とする。
【０００８】
前記燃料は、前記範囲のｏ−キシレンを含むことによりリサーチ法オクタン価を高くすることができ、火花着火の際の着火性を低くすることができる。また、前記燃料は、前記範囲のｏ−キシレンを含むことにより、予混合圧縮着火の際の着火性を高くすることができる。
【０００９】
従って、本発明の内燃機関は、単一の燃料によって、負荷に応じて予混合圧縮着火と火花着火とを使い分けることができ、いずれの着火方式においてもノッキング等の異常燃焼を生じることなく、安定に運転することができる。
【００１０】
前記燃料は、ｏ−キシレンの含有量が全体の１０重量％未満では、リサーチ法オクタン価を十分に高くすることができない。また、前記燃料は、ｏ−キシレンの含有量が全体の７０重量％を超えるときには、気化混合特性が低下したり、排出ガス中の汚染物質や、燃焼室内の堆積物が増加する等の不都合がある。
【００１１】
前記燃料は、本発明の内燃機関において、負荷に応じて容易に予混合圧縮着火と火花着火とを使い分けるために、全体の３０〜５０重量％のｏ−キシレンを含むことが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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は各種燃料を予混合圧縮自着火させたときの、単位時間当たりの圧力変化の経時変化を示す図である。
【００１３】
本実施形態の内燃機関は、全体の１０〜７０重量％、好ましくは３０〜５０重量％のｏ−キシレンを含み、負荷に応じて予混合圧縮着火と火花着火とを使い分けるものである。具体的には、本実施形態の内燃機関は、低中負荷時には予混合圧縮着火を用い、高負荷時には火花着火を用いる。
【００１４】
前記燃料は、例えばｎ−ヘプタン等の炭化水素をベース燃料とし、ｏ−キシレンを前記範囲で含むものである。前記燃料は、ｏ−キシレンを前記範囲で含むことによりリサーチ法オクタン価を高くすることができ、火花着火の際の着火性を低くすることができる。また、前記燃料は、前記範囲のｏ−キシレンを含むことにより、予混合圧縮着火の際の着火性を高くすることができる。
【００１５】
次に、ｎ−ヘプタンからなるベース燃料と、ｎ−ヘプタンにトルエンまたはキシレンの各異性体を、それぞれ全体の５０重量％になるように添加した燃料とのリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）を、ＪＩＳ  Ｋ  ２２８０に定められた方法に従って測定した。結果を表１に示す。
【００１６】
【表１】
2007085280.tif 000003
【００１７】
表１から、ｎ−ヘプタンは、トルエンまたはキシレンの各異性体を添加することによりリサーチ法オクタン価が高くなり、火花着火の際の着火性が低くなっていることが明らかである。
【００１８】
次に、表１に示す各種燃料を用いて、急速圧縮機（ＲＣＭ）により、予混合圧縮着火燃焼実験を行った。前記急速圧縮機は、内径８０ｍｍ、圧縮ストローク８０ｍｍの円筒状の燃焼室を備え、該燃焼室に供給された燃料と空気との混合気をピストンにより圧縮して自着火、燃焼させるものであり、排気量は４０２ｍｌである。
【００１９】
前記予混合圧縮着火燃焼実験では、圧縮比を１３．９に設定し、まず、前記燃焼室にシリンジ注入法により燃料の投入した後、燃料の気化を完全にするために、５分間放置した。次に、前記燃焼室に空気を導入して大気圧とした後、燃料と空気との混合気を均一にするために、５分間放置した。その後、前記ピストンにより、前記燃焼室内の混合気を圧縮して、自着火、燃焼させた。尚、前記予混合圧縮着火燃焼実験では、冷却水温度、投入気温とも４０℃に設定し、燃料の量は、当量比が０．３になるように調整した。
【００２０】
前記予混合圧縮着火燃焼実験では、前記燃焼室内の圧力が３ＭＰａに到達した時点を熱炎開始と定義し、圧縮開始から熱炎開始までの時間を予混合圧縮着火の着火性の指標とした。結果を表２に示す。
【００２１】
また、前記予混合圧縮着火燃焼実験における各燃料の単位時間当たりの圧力変化の経時変化を図１に示す。図１において、各燃料とも、最初のピークは冷炎燃焼によるものであり、２番目のピークは熱炎燃焼によるものである。
【００２２】
【表２】
2007085280.tif 000004
【００２３】
表２及び図１から、ｎ−ヘプタンにｏ−キシレンを全体の５０重量％になるように添加した燃料によれば、ｎ−ヘプタンにトルエン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレンを、それぞれ全体の５０重量％になるように添加した燃料よりも熱炎時期が早く、予混合圧縮着火の際の着火性が高いことが明らかである。
【００２４】
この理由については、次のように考えることができる。
【００２５】
まず、トルエンの場合について、次の式（１）を参照して説明する。この場合、最初に、前記混合気中に発生したラジカルが、トルエンのベンジル基（ベンゼン環に結合しているメチル基）から水素を引き抜くことにより消費される。この結果、トルエン自体は、ベンジルラジカルとなるが、生成したベンジルラジカルは、不対電子がベンゼン環によって共鳴安定化しているために、反応性が乏しくなっている。
【００２６】
従って、トルエンによれば、上述のようにしてラジカルを消費して着火に至るラジカル連鎖反応を抑制するために、着火が抑制され、熱炎時期がｎ−ヘプタンよりも遅れるものと考えられる。
【００２７】
【化１】
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【００２８】
次に、ｍ−キシレンとｐ−キシレンとでは、キシレンにはベンジル基が２つあるために、ラジカルを消費する能力がトルエンよりも大きく、熱炎時期がトルエンよりもさらに遅れるものと考えられる。
【００２９】
一方、ｏ−キシレンの場合には、２つのベンジル基が互いに隣り合っているために、次の式（２）に示すように、ベンジルラジカル生成後に酸素分子付加反応が起こった場合、分子内水素引き抜き反応が起こり得る。この結果、ｏ−キシレンは前記分子内水素引き抜き反応により新たなベンジルラジカルを生成して、それ自体ラジカル連鎖反応に関わることになる。
【００３０】
従って、ｏ−キシレンによれば、ラジカルの消費による着火抑制効果が小さく、熱炎時期がトルエンや、異性体のｍ−キシレン、ｐ−キシレンよりも早まるものと考えられる。
【００３１】
【化２】
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【００３２】
上述のように、ｎ−ヘプタンにｏ−キシレンを全体の５０重量％になるように添加した燃料によれば、ｎ−ヘプタンよりオクタン価が高くなって、ｎ−ヘプタンよりも火花着火の際の着火性が低くなると共に、ｎ−ヘプタンにトルエン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレンを、それぞれ全体の５０重量％になるように添加した燃料よりも予混合圧縮着火の際の着火性が高くなることが明らかである。
【００３３】
従って、本実施形態の内燃機関によれば、ｎ−ヘプタンにｏ−キシレンを全体の５０重量％になるように添加した単一の燃料を用いることにより、低中負荷時には予混合圧縮着火を用い、高負荷時には火花着火を用いて、安定に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】各種燃料を予混合圧縮自着火させたときの、単位時間当たりの圧力変化の経時変化を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
符号なし
【図１】
2007085280.tif 000007