(57)【要約】【課題】窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素等の排出を確実に抑制できる予混合圧縮着火内燃機関を提供する。【解決手段】燃焼室５に混合気を噴射する混合気噴射インジェクタ１０と、燃焼室５の中心部１８での空燃比が所定の値、例えば２５〜３０となるように該混合気の噴射時期を制御する噴射時期制御手段１２とを備える。前記混合気を形成する予混合チャンバ１１と、燃料供給インジェクタ１２，１４と、燃料の供給量を制御する燃料供給量制御手段１６，１７とを備える。燃料供給量制御手段１６，１７は、高負荷時にはオクタン価の高い燃料の供給量を多くし、低負荷時にはオクタン価の低い燃料の供給量を多くする。噴射時期制御手段１２による前記混合気の噴射時期と、燃料供給量制御手段１６，１７による燃料の供給量の割合と、予混合チャンバ１１における混合空気量とを、サイクルごとに独立に制御して燃焼室５に混合気を噴射する混合気噴射制御手段を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室で、燃料と空気とからなる混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮着火内燃機関において、
該燃焼室に燃料と空気とからなる混合気を噴射する混合気噴射インジェクタと、
該燃焼室の軸方向に沿って該燃焼室の直径の５０％以内の中心部での空燃比（重量比）が所定の値となるように該混合気の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項２】
前記噴射時期制御手段は、前記中心部での前記空燃比が２５〜３０の範囲の値となるように前記混合気の噴射時期を制御することを特徴とする請求項１記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項３】
前記混合気噴射インジェクタに導入される前記混合気を形成する予混合チャンバと、
該予混合チャンバにオクタン価の異なる２つの燃料をそれぞれ独立に供給する第１の燃料供給インジェクタと第２の燃料供給インジェクタと、
各燃料供給インジェクタから供給される燃料の供給量を制御して、該予混合チャンバ内で形成される前記混合気のオクタン価と発熱量とを調整する燃料供給量制御手段とを備え、
該燃料供給量制御手段は、高負荷時には相対的にオクタン価の高い燃料の供給量を相対的にオクタン価の低い燃料の供給量よりも多くし、低負荷時には相対的にオクタン価の低い燃料の供給量を相対的にオクタン価の高い燃料の供給量よりも多くすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項４】
前記噴射時期制御手段による前記混合気の噴射時期と、前記燃料供給量制御手段による前記オクタン価の異なる２つの燃料の供給量の割合と、前記予混合チャンバにおける混合空気量とを、サイクルごとに独立に制御して前記燃焼室に該混合気を噴射する混合気噴射制御手段を備えることを特徴とする請求項３記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予混合圧縮着火内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の燃費、排出物を低減するために、予混合圧縮着火内燃機関に代表される圧縮着火内燃機関が検討されている。前記予混合圧縮着火内燃機関は、内燃機関の燃焼室で、燃料と空気とからなる混合気を圧縮して自着火させるものである。
【０００３】
ところが、前記予混合圧縮着火内燃機関は、オクタン価の低い燃料を用いると該機関の要求負荷が高くなったときにノッキングを起こしやすく、オクタン価の高い燃料を用いると前記要求負荷が低くなったときに失火しやすいため、安定に運転することができる運転領域が狭いとの問題がある。
【０００４】
前記問題を解決するために、従来、オクタン価の低い燃料と、オクタン価の高い燃料との２種類の燃料をそれぞれ独立に前記燃焼室に噴射して、該燃焼室内に予め前記混合気を形成する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。前記技術によれば、前記予混合圧縮着火内燃機関において、要求負荷に応じて前記両燃料を使い分け、あるいは両燃料の供給量の比を変えることにより前記混合気のオクタン価を調整することができるので、広い範囲の要求負荷に対して安定して運転することができる。
【０００５】
しかし、前記技術においては、局部的に燃料が高濃度となる領域ができ、この領域では燃焼速度が上昇して非常に高温となるために、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が増加するという問題がある。また、前記領域では、空気と接触できないまま加熱される燃料が多くなるため、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の未燃ガスの排出量が増加するという問題もある。
【０００６】
そこで、オクタン価の低い燃料と、オクタン価の高い燃料との２種類の燃料をそれぞれ独立に前記燃焼室に噴射するときに、前記両燃料が前記燃焼室内で実質的に互いに重ならないように、噴射する技術が提案されている（特許文献２参照）。前記技術によれば、前記両燃料が前記燃焼室内で互いに重ならないので、局部的に燃料が高濃度となることを防止して、窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素等の排出量を抑制することができるとされている。
【０００７】
しかしながら、オクタン価の低い燃料と、オクタン価の高い燃料とが前記燃焼室内で実質的に互いに重ならないように燃料噴射を行っても、場合によっては窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素等の排出量を抑制することができないとの不都合がある。
【特許文献１】特開２００１−５００７０号公報
【特許文献２】特開２００５−１３９９４５号公報
【特許文献３】特開２００２−３３９８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる不都合を解消して、窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素等の排出を確実に抑制することができる予混合圧縮着火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】
【０００９】
本発明者らは、予混合圧縮着火内燃機関における前記不都合について検討を重ねた。この結果、本発明者らは、内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射して、該燃焼室内にて該燃料を空気と混合しして混合気とする場合には、図２に仮想線で示すように、該燃焼室の軸方向に沿った中心部で局部的に空燃比が小さい領域、換言すれば燃料が高濃度となる領域ができやいことを見出した。前記燃料が高濃度となる領域では、前述のように燃焼速度が上昇して非常に高温となるので、窒素酸化物の排出量の増加が避けられない。
【００１０】
また、前記予混合圧縮着火内燃機関では、圧縮圧力が高く、前記燃焼室の壁面における熱伝達率が大きくなるために放熱が大きく、燃焼温度が低下して炭化水素、一酸化炭素等の未燃ガスの排出量が増加するものと考えられる。
【００１１】
本発明は、前記知見に基づくものであり、前記目的を達成するために、内燃機関の燃焼室で、燃料と空気とからなる混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮着火内燃機関において、該燃焼室に燃料と空気とからなる混合気を噴射する混合気噴射インジェクタと、該燃焼室の軸方向に沿って該燃焼室の直径の５０％以内の中心部での空燃比が所定の値、例えば２５〜３０の範囲の値となるように該混合気の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えることを特徴とする。尚、本明細書では、前記空燃比は空気と燃料との重量比（空気／燃料）で示す。
【００１２】
本発明の予混合圧縮着火内燃機関では、予め形成された前記混合気を前記混合気噴射インジェクタにより燃焼室に噴射すると共に、前記噴射時期制御手段により該混合気の噴射時期を制御して、該燃焼室の軸方向に沿った中心部、すなわち該燃焼室の中心軸の周囲、直径の５０％以内の部分で、前記空燃比を所定の値、例えば２５〜３０の範囲の値とする。このようにすると、前記燃焼部の前記中心部で燃料が高濃度になることを防止して、窒素酸化物の排出を確実に抑制することができる。
【００１３】
前記燃焼室の前記中心部における前記空燃比の値が２５以下では、燃料が高濃度になり、窒素酸化物の排出を十分に抑制できないことがある。また、予混合圧縮着火内燃機関では火花点火式内燃機関と違って、点火プラグ近傍の燃料の濃度を理論空燃比とする必要がないが、前記空燃比が３０を超えると予混合圧縮着火内燃機関の利点を十分に生かすことができなくなることがある。
【００１４】
また、本発明の予混合圧縮着火内燃機関によれば、前記燃焼部の前記中心部における前記空燃比を前記所定の値とすることにより、該中心部の外周側の領域には相対的に空気濃度の高い領域が形成される。この結果、前記空気濃度の高い領域により断熱作用が得られ、前記燃焼室の壁面からの放熱が低減されるので、炭化水素、一酸化炭素等の未燃ガスの排出を確実に抑制することができる。
【００１５】
尚、予め形成された前記混合気を前記混合気噴射インジェクタにより燃焼室に噴射する技術自体は公知である（例えば、特許文献３参照）。
【００１６】
本発明の予混合圧縮着火内燃機関は、予め形成された前記混合気を前記混合気噴射インジェクタにより燃焼室に噴射するものである。そこで、本発明の予混合圧縮着火内燃機関は、前記混合気噴射インジェクタに導入される前記混合気を形成する予混合チャンバと、該予混合チャンバにオクタン価の異なる２つの燃料をそれぞれ独立に供給する第１の燃料供給インジェクタと第２の燃料供給インジェクタと、各燃料供給インジェクタから供給される燃料の供給量を制御して、該予混合チャンバ内で形成される前記混合気のオクタン価と発熱量とを調整する燃料供給量制御手段とを備えることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の予混合圧縮着火内燃機関が前記構成を備えるときに、前記燃料供給量制御手段は、高負荷時には相対的にオクタン価の高い燃料の供給量を相対的にオクタン価の低い燃料の供給量よりも多くし、低負荷時には相対的にオクタン価の低い燃料の供給量を相対的にオクタン価の高い燃料の供給量よりも多くすることが好ましい。このようにすることにより、本発明の予混合圧縮着火内燃機関は、高負荷時のノッキングと、低負荷時の失火とを防止することができ、広範囲の要求負荷に対して安定に運転することができる。
【００１８】
さらに、本発明の予混合圧縮着火内燃機関は、前記噴射時期制御手段による前記混合気の噴射時期と、前記燃料供給量制御手段による前記オクタン価の異なる２つの燃料の供給量の割合と、前記予混合チャンバにおける混合空気量とを、サイクルごとに独立に制御して前記燃焼室に該混合気を噴射する混合気噴射制御手段を備えることが好ましい。
【００１９】
本発明の予混合圧縮着火内燃機関は、前記混合気噴射制御手段を備えることにより、緻密な制御が可能となり、窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素等の排出をさらに確実に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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は本実施形態の予混合圧縮着火内燃機関の構成を示す説明的断面図であり、図２は図１に示す予混合圧縮着火内燃機関の燃焼室における空燃比分布を示すグラフである。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の予混合圧縮着火内燃機関１は、中空円筒形のシリンダ２と、シリンダ２内に設けられシリンダ２内を上下に摺動するピストン３と、シリンダ２の上部に配設されたシリンダヘッド４とを備え、シリンダ２、ピストン３、シリンダヘッド４に囲まれる空間により燃焼室５を形成されている。シリンダヘッド４は、燃焼室５に連通する吸気ポート６、排気ポート７と、吸気ポート６を開閉する吸気弁８と、排気ポート７を開閉する排気弁９とを備え、さらに燃焼室５の中心軸に沿って燃料と空気とからなる混合気を噴射する混合気噴射インジェクタ１０と、混合気噴射インジェクタ１０に供給される混合気を形成する予混合チャンバ１１とを備えている。混合気噴射インジェクタ１０には、前記混合気の噴射時期を制御する噴射時期制御装置１２が設けられている。
【００２２】
さらに、シリンダヘッド４は、予混合チャンバ１１に低オクタン価燃料を噴射する第１燃料供給インジェクタ１３と、予混合チャンバ１１に高オクタン価燃料を噴射する第２燃料供給インジェクタ１４と、燃料供給インジェクタ１３，１４から噴射される燃料に空気混合するための圧縮空気導管１５とを備えている。燃料供給インジェクタ１２，１３には、それぞれ、燃料供給量制御装置１６，１７が設けられており、圧縮空気導管１５は図示しない圧縮空気源に接続されている。
【００２３】
そして、噴射時期制御装置１２、燃料供給量制御装置１６，１７は、図示しないエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）により、予混合圧縮着火内燃機関１の要求負荷に対応して制御されるようになっている。
【００２４】
次に、本実施形態の予混合圧縮着火内燃機関１の作動について説明する。
【００２５】
予混合圧縮着火内燃機関１では、まず、第１燃料供給インジェクタ１３から低オクタン価燃料を、第２燃料供給インジェクタ１４から高オクタン価燃料を、それぞれ予混合チャンバ１１に噴射する。また、燃料の噴射と同時に、圧縮空気導管１５から予混合チャンバ１１に圧縮空気を供給し、前記燃料と混合することにより、前記混合気を形成する。
【００２６】
前記低オクタン価燃料としては、例えばナフサ、ジエチルエーテル等を用いることができ、前記高オクタン価燃料としては、例えば、ガソリン、エタノール等を用いることができる。また、前記圧縮空気は、例えば、５００〜８００ｋＰａの圧力で予混合チャンバ１１に供給される。
【００２７】
燃料供給インジェクタ１３，１４からの燃料の噴射量は、燃料供給量制御装置１６，１７を介して前記ＥＣＵにより制御され、予混合圧縮着火内燃機関１の要求負荷に対応したオクタン価と発熱量とを備える前記混合気が形成される。前記混合気は、予混合チャンバ１１内では、例えば、空燃比が０．１〜３程度となるようにされている。
【００２８】
次に、前記混合気は、混合気噴射インジェクタ１０に供給され、噴射時期制御装置１２を介して前記ＥＣＵにより制御された噴射時期に、燃焼室５に噴射される。混合気噴射インジェクタ１０は、燃焼室５の中心軸に沿って前記混合気を噴射するようになっているので、図２に実線で示すように、前記混合気により燃焼室５の中心部１８では空燃比が２５〜３０の範囲となる。尚、中心部１８とは、燃焼室５の中心軸の周囲で、燃焼室５の直径の５０％以内の領域である。
【００２９】
また、このとき燃焼室５内には、吸気ポート６から導入された空気があるので、前記中心部１８の外周側部分１９には、相対的に空気の濃度の高い領域が形成される。すなわち、燃焼室５内には、中心部１８の空燃比が２５〜３０の範囲で略一定となっている領域と、外周側部分１９の相対的に空気の濃度の高い領域との２つの領域が層を形成している。
【００３０】
次に、ピストン３が上昇して燃焼室５内の混合気が圧縮され、ピストン３の上死点付近で該混合気が自着火する。このとき、燃焼室５の中心軸の周囲で、燃焼室５の直径の５０％以内の領域では、空燃比が２５〜３０の範囲となっているので、燃焼に伴って過度の高温が発生することが無く、窒素酸化物の排出を抑制することができる。また、前記空燃比２５〜３０の領域の外周側には、空気の濃度の高い領域が形成されているので、空気による断熱作用により、燃焼室５の壁面（シリンダ２）からの放熱が低減され、炭化水素、一酸化炭素等の未燃ガスの排出を抑制することができる。
【００３１】
また、予混合圧縮着火内燃機関１では、燃料供給量制御装置１６，１７による前記低オクタン価燃料と高オクタン価燃料との供給量の割合を、高負荷時には高オクタン価燃料の供給量を多くし、低負荷時には低オクタン価燃料の供給量を多くするように制御する。このようにすることにより、予混合圧縮着火内燃機関１では、高負荷時のノッキングの発生と、低負荷時の失火とを共に防止することができ、広い範囲の要求負荷に対して安定に運転することができる。
【００３２】
また、予混合圧縮着火内燃機関１では、前記ＥＣＵを混合気噴射制御手段として、混合気噴射インジェクタ１０による前記混合気の噴射時期と、燃料供給量制御装置１６，１７による前記低オクタン価燃料と高オクタン価燃料との供給量の割合と、予混合チャンバ１１における混合空気量とを、サイクルごとに独立に制御するようにしてもよい。
【００３３】
前記混合気噴射制御手段としてのＥＣＵの制御は、例えば、低負荷時には、燃焼室５内の混合気のオクタン価が低く、中心部１８の空燃比が略一定となっている領域と、外周側部分１９の相対的に空気の濃度の高い領域との２つの領域との層の形成が明確になり、中心部１８の空燃比が中程度、例えば２５〜３０の範囲となるように行う。また、高負荷時には、燃焼室５内の混合気のオクタン価が高く、中心部１８の空燃比が略一定となっている領域と、外周側部分１９の相対的に空気の濃度の高い領域との２つの領域との層の形成がゆるくなり、中心部１８の空燃比が中程度、例えば２４〜３０の範囲となるように行う。
【００３４】
このようにすることにより、予混合圧縮着火内燃機関１では、運転状態や要求負荷に対応して緻密な制御が可能となり、窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素等の排出をさらに確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関の一構成例を示す説明的断面図。
【図２】図１に示す予混合圧縮着火内燃機関の燃焼室における空燃比分布を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３６】
１…予混合圧縮着火内燃機関、  ５…燃焼室、  １０…混合気噴射インジェクタ、  １１…予混合チャンバ、  １２…噴射時期制御手段、  １３…第１の燃料供給インジェクタ、  １４…第２の燃料供給インジェクタ、  １６，１７…燃料供給量制御手段。
【図１】
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【図２】
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