(57)【要約】【課題】  本発明は、吸気路１３を流通する空気Ａに燃料Ｇを供給して混合気を形成する燃料供給手段２１と、燃焼室１０に排ガスＥを再循環させるＥＧＲ手段Ｘとを備えたエンジン１００に関し、その目的は、ＥＧＲ手段ＸによりＥＧＲを実施しても、安定した運転状態を維持することができる技術を提供する点にある。【解決手段】  ＥＧＲ手段Ｘが、排気行程において吸気弁１を一時的に開状態として吸気路１３に排ガスＥを排出する手段であり、燃料供給手段２１が、吸気路１３において排ガスＥが排出された排ガス領域ＥＡに燃料Ｇを供給可能に構成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気路を流通する空気に燃料を供給して混合気を形成する燃料供給手段と、燃焼室に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段とを備えたエンジンであって、
前記ＥＧＲ手段が、排気行程において吸気弁を一時的に開状態として前記吸気路に排ガスを排出する手段であり、
前記燃料供給手段が、前記吸気路において排ガスが排出された排ガス領域に燃料を供給可能に構成されているエンジン。
【請求項２】
前記ＥＧＲ手段が、前記排気行程の初期に前記吸気弁を開状態とするように構成されている請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記燃料供給手段が、前記排ガス領域に燃料を供給する第１状態と、前記排ガス領域から外れた非排ガス領域に燃料を供給する第２状態とを、切替自在に構成されている請求項１又は２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記燃焼室に吸気された混合気を圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジンとして構成されている請求項１から３の何れか１項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気路を流通する空気に燃料を供給して混合気を形成する燃料供給手段と、燃焼室に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段とを備えたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を希薄状態で高圧縮して自己着火燃焼させることで高効率化及び低ＮＯｘ化を実現可能なエンジンとして、燃料の自己着火を積極的に利用する予混合圧縮着火エンジンがある。
かかる予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンのように圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、火花点火エンジンのように、吸気路に設けられた燃料供給弁（燃料供給手段）により吸気路を流通する空気に燃料を供給して混合気を形成し、燃焼室に吸気した混合気を高圧縮し混合気の自己着火温度まで昇温させて、自己着火燃焼させるように構成されている。また、このような予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンのように燃料を高圧縮して燃焼室に噴射する必要がないので、天然ガス等の気体燃料を用いたガスエンジンに簡単に適用することができる。
このようなエンジンにおいて、燃焼変動或いは失火及びノック等によって負荷域が狭く制限されるという問題があり、特に予混合圧縮着火エンジンでは、自己着火時における急激な熱発生に起因すると考えられるノックの発生により、燃焼室に吸気する混合気の当量比は比較的低めとする必要があり低負荷域における運転に制限される。
【０００３】
このようなエンジンにおいて、燃焼室から排出される排ガスを燃焼室へ再循環させる所謂ＥＧＲを行うことで、混合気の燃焼を緩慢にしてノックの発生やＮＯｘの生成を抑制することができる。
また、このようなＥＧＲを行う予混合圧縮着火エンジンとして、燃焼室へ比較的高温の排ガスを再循環させると共に、その排ガス量であるＥＧＲ量を調整することで、燃焼室に吸気される混合気の温度を調整して、その混合気の自己着火タイミングを適正なタイミングに調整することができる予混合圧縮着火エンジンが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７４２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のようにエンジンにおいてＥＧＲを行ってノックの発生やＮＯｘの生成を抑制しても、安定した運転状態を維持できなくなる場合がある。
例えば、成層燃焼エンジンのように、燃焼室において燃料が濃い濃部が偏在させる状態で混合気を層状吸気し、その濃部において混合気を着火して燃焼させる場合において、ＥＧＲを行うと、濃部における混合気の着火時におけるノックの発生及びＮＯｘの生成を抑制することができるが、濃部以外の燃料が薄い淡部においてはその再循環された排ガスにより燃焼速度が過剰に低下して未燃成分が増加し効率が低下する場合がある。
【０００６】
特に、予混合圧縮着火エンジンでは、ＥＧＲを行うことで、自己着火時における急激な熱発生が抑制されてノックが抑制されるものの、その後の比較的希薄な混合気の燃焼が過剰に緩慢になってしまう場合がある。
【０００７】
また、予混合圧縮着火エンジンにおいて、混合気の自己着火タイミングを適正なタイミングに調整するために、ＥＧＲ量を調整する場合でも、自己着火タイミングを遅角側に変更するためにＥＧＲ量を増加させると、比較的希薄な混合気の燃焼が過剰に緩慢になってしまう。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸気路を流通する空気に燃料を供給して混合気を形成する燃料供給手段と、燃焼室に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段とを備えたエンジンにおいて、ＥＧＲ手段によりＥＧＲを実施しても、安定した運転状態を維持することができる技術を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、吸気路を流通する空気に燃料を供給して混合気を形成する燃料供給手段と、燃焼室に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段とを備えたエンジンであって、その第１特徴構成は、前記ＥＧＲ手段が、排気行程において吸気弁を一時的に開状態として前記吸気路に排ガスを排出する手段であり、
前記燃料供給手段が、前記吸気路において排ガスが排出された排ガス領域に燃料を供給可能に構成されている点にある。
【００１０】
上記第１特徴構成によれば、上記ＥＧＲ手段により、排気行程において吸気弁を一時的に開状態とすることで、排気行程において燃焼室にある排ガスが排気路に排出される際に、その一部を排気路ではなく吸気弁を介して吸気路に排出することができ、その吸気路に排出された排ガスを、吸気路に形成された混合気と共に、燃焼室に再循環させることができる。
更に、上記燃料供給手段により、上記排気行程において吸気路に排ガスが排出された後に、その吸気路において比較的高温の排ガスが排出された排ガス領域に燃料を供給することで、その燃料を排ガスとの熱交換により昇温させることができ、よって、その昇温した燃料と空気との混合気を燃焼室に吸気して着火する際に、燃料の着火性を向上させて失火を抑制することができる。また、燃焼室に吸気された混合気は、燃料が濃い部分に集中して排ガスが存在するので、燃料の着火後における燃焼速度を良好に抑制してノックの発生及びＮＯｘの生成を抑制することができる。更に、混合気において燃料が希薄な部分においては排ガスが希薄な状態であることから、その希薄な混合気をも充分に燃焼させて未燃成分の発生を防止し効率を向上させることができる。
従って、本発明により、ＥＧＲ手段によりＥＧＲを実施しても安定した運転状態を維持することができるエンジンを実現することができる。
【００１１】
本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、前記ＥＧＲ手段が、前記排気行程の初期に前記吸気弁を開状態とするように構成されている点にある。
【００１２】
上記第２特徴構成によれば、上記ＥＧＲ手段により排気行程の初期に吸気弁を一時的に開状態とすることで、排気行程において吸気弁が閉状態とされてから吸気行程が開始されて再度吸気弁が開状態されるまでの排ガス領域形成期間を充分に長く確保することができ、更に、排ガス領域形成時間において吸気路におけるガスの流動がほぼ停止されるので、吸気路において排ガス領域を燃焼室近傍の一定の場所に停止させておくことができる。よって、上記燃料供給手段により、その充分に長く確保された排ガス領域形成期間に余裕を持って燃焼室近傍に固定された排ガス領域に燃料を供給することができ、更に、燃料と排ガスとの熱交換を充分に行って燃料を昇温させることができる。
【００１３】
本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、前記燃料供給手段が、前記排ガス領域に燃料を供給する第１状態と、前記排ガス領域から外れた非排ガス領域に燃料を供給する第２状態とを、切替自在に構成されている点にある。
【００１４】
上記第３特徴構成によれば、上記燃料供給手段により、これまで説明してきたように、例えば燃料供給量を減少させて低負荷域運転を行う場合において、排ガス領域に燃料を供給する第１状態として、燃料の着火性等を向上させる以外に、例えば燃料供給量を増加させて高負荷域運転を行う場合において、吸気路において排ガス領域から外れた非排ガス領域に燃料を供給する第２状態に切り換えて、燃焼室において排ガスが燃料が濃い濃部に集中することなく全体に渡って存在するようにして、燃料供給量増加による全体的な燃焼速度の過剰上昇を抑制して、安定した運転状態を得ることができる。
【００１５】
本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、前記燃焼室に吸気された混合気を圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジンとして構成されている点にある。
【００１６】
上記第４特徴構成によれば、上記予混合圧縮着火エンジンとして構成する場合において、これまで説明してきたように上記ＥＧＲ手段及び上記燃料供給手段を構成することで、比較的希薄な混合気を自己着火燃焼させる場合でも、燃料の着火性を向上させて失火を抑制しながら、その自己着火後の燃焼を緩慢にして急激な熱発生によるノックを回避することができる。更に、燃焼が進行して比較的希薄な混合気が燃焼する際には、その希薄混合気に対しては燃料と同様に排ガスが希薄な状態であるから、その希薄混合気の燃焼が過剰に緩慢になることを抑制して、未燃成分の発生を防止し効率を向上させることができる。
また、予混合圧縮着火エンジンとして構成した場合において、上記燃料供給手段が、前記排ガス領域に燃料を供給する第１状態と、前記排ガス領域から外れた非排ガス領域に燃料を供給する第２状態とを、切替自在に構成されていることで、上記第１状態として燃料を充分に昇温させることで混合気の自己着火タイミングを進角側に調整し、上記第２状態として燃料の排ガスによる昇温を抑制することで混合気の自己着火タイミングを遅角側に調整することができ、このことを利用して、自己着火タイミングを適正なタイミングに調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態として、予混合圧縮着火エンジン１００について図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１に示す予混合圧縮着火エンジン１００には、シリンダ３の内面とピストン４の頂面とで規定される燃焼室１０と、燃焼室１０に吸気弁１を介して接続された吸気路１３と、燃焼室１０に排気弁２を介して接続された排気路１４とが設けられている。
【００１９】
ピストン４は連結棒８に揺動自在に連結されており、ピストン４の往復動は連結棒８によって１つのクランク軸９の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところがない。
【００２０】
吸気路１３には、吸気路１３を流通する空気Ａに天然ガス系都市ガスである燃料Ｇを供給して混合気を形成する燃料供給手段２１が設けられている。そして、その吸気路１３に形成された混合気は、図２に示すように、クランク角がＴＤＣ（上死点）付近からＢＤＣ（下死点）付近まで吸気弁１が開状態となる吸気行程において燃焼室１０に吸気される。
【００２１】
そして、予混合圧縮着火エンジン１００は、燃焼室１０に吸気された混合気を、吸気弁１及び排気弁２の両方が閉状態となる圧縮行程において、ピストン４の上昇により圧縮して自己着火温度まで昇温させることで、その混合気を自己着火させ、更に、燃焼・膨張行程において、混合気の燃焼によりピストン４を押し下げて軸出力を得るように構成されている。
【００２２】
また、上記燃焼・膨張行程の後に、クランク角がＢＤＣ付近からＴＤＣ付近まで排気弁２が開状態となる排気行程において、燃焼室１０の排ガスＥは排気路１４に排出される。
【００２３】
コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）４０は、燃料供給手段２１による空気Ａへの燃料供給量を制御して、燃焼室１０に吸気される混合気の当量比が目標出力に合った当量比に設定するように構成されている。
【００２４】
このような予混合圧縮着火エンジン１００は、燃焼室１０において混合気を圧縮して自己着火燃焼させるため、例えば圧縮比を２１程度と高く設定することができるため高効率であり、更に混合気の当量比を例えば火炎伝播下限以下と希薄状態で燃焼させることができるため低ＮＯｘを実現することができる。
【００２５】
予混合圧縮着火エンジン１００には、燃焼室１０の圧力を測定することにより実際の自己着火タイミングを検出可能な圧力センサ１７、ノックの発生を検出可能なノックセンサ１８、クランク軸９の回転角度を測定することによりクランク軸９の回転数を検出可能なクランク角センサ１９等が設けられている。
【００２６】
また、予混合圧縮着火エンジン１００においては、吸気弁１及び排気弁２の開閉動作を行うための動弁機構３０が、燃焼室１０における混合気の燃焼を緩慢にしてノックの発生やＮＯｘの生成を抑制するために燃焼室１０に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段Ｘとして機能するように構成されている。
【００２７】
即ち、このＥＧＲ手段Ｘは、図２及び図３に示すように、排気行程の好ましくは初期において吸気弁１を一時的に開状態とすることで、燃焼室１０の排ガスＥを吸気路１３に排出して、吸気路１３の燃焼室１０近傍に排ガスＥが排出された排ガス領域ＥＡが形成され、次の吸気行程において、その吸気路１３における排ガス領域ＥＡの排ガスＥを混合気と共に燃焼室１０に吸気するように構成されている。
【００２８】
更に、予混合圧縮着火エンジン１００の燃料供給手段２１は、吸気路１３において燃焼室１０に近い側から順に配置された２つの第１燃料供給弁２１ａ及び第２燃料供給弁２１ｂからなり、ＥＣＵ４０の指令により、第１燃料供給弁２１ａ及び第２燃料供給弁２１ｂの夫々から各別に吸気路１３へ燃料Ｇを供給することができる。
【００２９】
また、上記２つの第１燃料供給弁２１ａ及び第２燃料供給弁２１ｂのうち、燃焼室１０に近い側の第１燃料供給弁２１ａは、ＥＧＲ手段Ｘにより排気行程の初期に吸気弁１を一時的に開状態とすることで吸気路１３に排ガス領域ＥＡが形成されてから排気行程において吸気弁１が閉状態となっている間の排ガス領域形成期間において、燃料Ｇを吸気路１３に形成された排ガス領域ＥＡに供給するように、燃焼室１０近傍に配置されている。尚、このように第１燃料供給弁２１ａにより排ガス領域ＥＡに燃料Ｇを供給する状態を第１状態と呼ぶ。
【００３０】
即ち、図４に示すように、第１燃料供給弁２１ａにより燃料Ｇを排ガス領域ＥＡに供給することで、その燃料Ｇは比較的高温の排ガスＥとの熱交換により昇温するので、その昇温した燃料Ｇを含む混合気を燃焼室１０において圧縮すると、比較的進角側の自己着火タイミングで且つ良好な着火性を確保した状態で自己着火させることができるようになって失火が抑制され、更に、排ガスＥが燃料Ｇに対して良好に作用することにより、自己着火タイミングが進角側となったことによる急激な熱発生が抑制されて、ノックの発生が抑制される。
更に、燃焼室１０において燃焼が進行して比較的希薄な混合気が燃焼する際には、その希薄混合気に対しては燃料Ｇと同様に排ガスＥが希薄な状態であるから、その希薄混合気の燃焼が過剰に緩慢になることが抑制されて、未燃成分の発生が抑制され、効率が向上される。
【００３１】
即ち、ＥＣＵ４０は、上記燃料供給手段２１による燃料供給量を減少させて低負荷域運転を行う際に、第１燃料供給弁２１ａにより排ガス領域ＥＡに燃料Ｇを供給する第１状態として、自己着火タイミングを比較的進角側に設定して着火性能を良好なものに確保しながら、燃料供給量の低下による希薄になった混合気を良好に燃焼させて効率を向上させることができる。
【００３２】
一方、上記２つの第１燃料供給弁２１ａ及び第２燃料供給弁２１ｂのうち、第２燃料供給弁２１ｂは、吸気路１３の排ガス領域ＥＡから外れた非排ガス領域ＮＥＡに燃料Ｇを供給するように、燃焼室１０に対して排ガス領域ＥＡよりも遠い位置に配置されている。尚、このように第２燃料供給弁２１ｂにより非排ガス領域ＮＥＡに燃料Ｇを供給する状態を第２状態と呼び、燃料供給手段２１は、ＥＣＵ４０の指令により、上記第１状態と上記第２状態とが切替自在に構成されている。
【００３３】
即ち、図５に示すように、第２燃料供給弁２１ｂにより燃料Ｇを非排ガス領域ＮＥＡに供給することで、その燃料Ｇは高温の排ガスＥの作用をあまり受けることなく燃焼室１０に吸気されることになるので、燃料Ｇの昇温は抑制され、その昇温が抑制された燃料Ｇを含む混合気を燃焼室１０において圧縮すると、比較的遅角側の自己着火タイミングで自己着火させて急激な熱発生によるノックの発生を抑制することができる。
そして、ＥＣＵ４０は、上記燃料供給手段２１による燃料供給量を増加させて高負荷域運転を行う際に、第２燃料供給弁２１ｂにより非排ガス領域ＮＥＡに燃料Ｇを供給する第２状態として、自己着火タイミングを比較的遅角側に設定して、燃料供給量増加に起因するノックの発生を抑制して、安定した運転状態を維持することができる。
【００３４】
また、ＥＣＵ４０は、圧力センサ１７の検出結果から認識した実際の自己着火タイミングを適正なタイミングに設定すべく、上記第１状態と上記第２状態とを切り換えるように構成しても構わない。また、排ガス領域ＥＡに燃料Ｇを供給する第１状態としてノックセンサ１８によりノックが検出されたときに、非排ガス領域ＮＥＡに燃料Ｇを供給する第２状態に切り換えて、自己着火タイミングを遅角側に移行することにより、ノックを回避するように構成しても構わない。
【００３５】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（１）上記実施の形態では、本発明に係るエンジンを予混合圧縮着火エンジンに適用した例を説明したが、本発明に係るエンジンは他の例えば火花点火式の成層燃焼エンジン等の他のエンジンにも適用することができる。
例えば、燃焼室の点火プラグ付近等に燃料が濃い濃部を形成すると共にその周辺に燃料が希薄な淡部を形成するように吸気路から混合気を層状吸気して成層燃焼させる成層燃焼エンジンにおいて、吸気路に形成された排ガス領域に燃料を供給しその混合気を上記層状吸気することで、燃焼室の上記濃部においては排ガスが濃い状態であることから混合気の着火時におけるノックの発生及びＮＯｘの生成が良好に抑制され、同時に、燃焼室における上記淡部においては、排ガスが希薄な状態であることから燃焼速度が過剰に低下することを抑制して未燃成分の発生を防止し効率を向上させることができる。
【００３６】
（２）本発明に係るエンジンにおいては、天然ガス、ガソリン、メタノール、水素、軽油等の任意の炭化水素系燃料を使用することができる。また、燃料の燃焼のための酸素含有ガスとしては、空気を用いるのが一般的であるが、空気の代わりに、酸素成分含有割合が空気に対して高い酸素富化ガス等を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】予混合圧縮着火エンジンの概略構成図
【図２】吸気弁及び排気弁のリフト量を示す図
【図３】排ガス領域の形成状態を説明する図
【図４】第１状態における燃料供給状態を説明する図
【図５】第２状態における燃料供給状態を説明する図
【符号の説明】
【００３８】
１：吸気弁
２：排気弁
１０：燃焼室
２０：ＥＧＲ弁
２１：燃料供給手段
２１ａ：第１燃料供給弁
２１ｂ：第２燃料供給弁
４０：エンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）
１００：予混合圧縮着火エンジン
Ｘ：ＥＧＲ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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