(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒上部略中心に配置されて平面視において略放射状に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の近傍に配置された第一点火プラグと、気筒上部周囲に配置された第二点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁により吸気行程において噴射された燃料によって気筒内に形成される均質混合気を圧縮行程末期に前記第一点火プラグにより火花点火させ、前記均質混合気の火花点火直後に前記燃料噴射弁により噴射される燃料を自着火燃焼させる第一スパークアシストディーゼル燃焼と、前記燃料噴射弁により圧縮行程末期において噴射された燃料を噴射直後に前記第二点火プラグにより火花点火させ、前記燃料の火花点火直後に前記燃料噴射弁により噴射される燃料を自着火燃焼させる第二スパークアシストディーゼル燃焼と、を切り換えて実施し、機関負荷が第一設定負荷未満の時には前記第一スパークアシストディーゼル燃焼を実施し、機関負荷が前記第一設定負荷以上の時には前記第二スパークアシストディーゼル燃焼を実施することを特徴とするスパークアシストディーゼルエンジン。
【請求項２】
機関負荷が前記第一設定負荷以上であっても第二設定負荷未満の時には、前記燃料噴射弁により圧縮行程末期において噴射された燃料を噴射直後に前記第一点火プラグにより火花点火させ、前記燃料の火花点火直後に前記燃料噴射弁により噴射される燃料を自着火燃焼させる第三スパークアシストディーゼル燃焼を実施することを特徴とする請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記燃料噴射弁により噴射される燃料の含酸素燃料割合が高いほど前記第二設定負荷は高負荷側とされることを特徴とする請求項２に記載のスパークアシスト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、スパークアシストディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
自着火温度が高い燃料による自着火燃焼を実現するために、気筒上部中心に窪み部を形成し、第一燃料噴射弁により窪み部内へ燃料を噴射し、圧縮上死点直前において窪み部内の燃料を点火プラグにより火花点火させ、この窪み部内の燃料の燃焼によって気筒内の圧力及び温度を上昇させ、圧縮上死点直後に第二燃料噴射弁により気筒内へ燃料を噴射して燃料を自着火燃焼させるスパークアシストディーゼルエンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５４１０５
【特許文献２】特表２００３−５３２８２８
【特許文献３】特開２００２−１５５７８０
【特許文献４】特開２００６−１８８９７７
【特許文献５】特開２００４−１００５０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のスパークアシストディーゼルエンジンは、気筒内へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁が気筒上部周囲に配置されているために、気筒内全体に分散させて燃料を噴射することが難しく、自着火燃焼において気筒内の空気を十分に利用することができない。
【０００５】
従って、本発明の目的は、空気利用率の高い自着火燃焼が実現されるスパークアシストディーゼルエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、気筒上部略中心に配置されて平面視において略放射状に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の近傍に配置された第一点火プラグと、気筒上部周囲に配置された第二点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁により吸気行程において噴射された燃料によって気筒内に形成される均質混合気を圧縮行程末期に前記第一点火プラグにより火花点火させ、前記均質混合気の火花点火直後に前記燃料噴射弁により噴射される燃料を自着火燃焼させる第一スパークアシストディーゼル燃焼と、前記燃料噴射弁により圧縮行程末期において噴射された燃料を噴射直後に前記第二点火プラグにより火花点火させ、前記燃料の火花点火直後に前記燃料噴射弁により噴射される燃料を自着火燃焼させる第二スパークアシストディーゼル燃焼と、を切り換えて実施し、機関負荷が第一設定負荷未満の時には前記第一スパークアシストディーゼル燃焼を実施し、機関負荷が前記第一設定負荷以上の時には前記第二スパークアシストディーゼル燃焼を実施することを特徴とする。
【０００８】
本発明により請求項２に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、機関負荷が前記第一設定負荷以上であっても第二設定負荷未満の時には、前記燃料噴射弁により圧縮行程末期において噴射された燃料を噴射直後に前記第一点火プラグにより火花点火させ、前記燃料の火花点火直後に前記燃料噴射弁により噴射される燃料を自着火燃焼させる第三スパークアシストディーゼル燃焼を実施することを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項３に記載のスパークアシストディーゼルエンジンは、請求項２に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、前記燃料噴射弁により噴射される燃料の含酸素燃料割合が高いほど前記第二設定負荷は高負荷側とされることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、第一スパークアシストディーゼル燃焼と、第二スパークアシストディーゼル燃焼と、が切り換えて実施されるようになっている。第一スパークアシストディーゼル燃焼及び第二スパークアシストディーゼル燃焼のいずれにおいても、自着火燃焼させる燃料は、気筒上部略中心に配置されて平面視において略放射状に燃料を噴射する燃料噴射弁により噴射されるために、気筒内又はピストン頂面の燃焼室内へ広範囲に分散させることができ、空気利用率の高い自着火燃焼を実現することができる。
【００１１】
第一スパークアシストディーゼル燃焼においては、燃料噴射弁により吸気行程において噴射された燃料によって気筒内に形成される均質混合気を圧縮行程末期に気筒上部略中心の燃料噴射弁近傍に配置された第一点火プラグにより火花点火させるために、均質混合気の火花点火燃焼により気筒内又は燃焼室内の圧力及び温度を中央から全体的に均一に高めることができ、次いで燃料噴射弁により噴射される燃料は、このように圧力及び温度が高められた気筒内又は燃焼室内に広範囲に分散させられ、良好に自着火燃焼することができる。
【００１２】
また、第二スパークアシストディーゼル燃焼においては、燃料噴射弁により圧縮行程末期に噴射された燃料を噴射直後に気筒上部周囲に配置された第二点火プラグにより火花点火させるために、噴射燃料を気筒内周囲のドーナツ状の可燃混合気として火花点火させ、それにより、気筒内又は燃焼室内の圧力及び温度は高められ、次いで燃料噴射弁により噴射される燃料は、このように圧力及び温度が高められた気筒内又は燃焼室内に広範囲に分散させられ、良好に自着火燃焼することができる。
【００１３】
また、機関負荷が第一設定負荷未満の時には第一スパークアシストディーゼル燃焼を実施し、均質混合気の気筒上部略中心からの火花点火燃焼により圧力及び温度が全体的に均一に高められた気筒内又は燃焼室内へ広範囲に燃料を分散させて良好な自着火燃焼を実現することができる。しかしながら、機関負荷が増加して均質混合気を形成するための燃料量を増加しなければならなくなると、火花点火燃焼においてノッキングが発生し易くなるために、機関負荷が第一設定負荷以上の時には、均質混合気を形成することなく、燃料噴射弁により圧縮行程末期に噴射された燃料を噴射直後に気筒上部周囲に配置された第二点火プラグにより火花点火させ、それにより圧力及び温度が高められた気筒内又は燃焼室内へ広範囲に燃料を分散させて自着火燃焼させる第二スパークアシストディーゼル燃焼を実施するようになっている。
【００１４】
本発明による請求項２に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、請求項１に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、機関負荷が第一設定負荷以上であっても第二設定負荷未満の時には、圧縮行程末期に噴射される燃料量はそれほど多くなく、気筒内周囲にドーナツ状に分散させると、形成される混合気が希薄となって良好に火花点火させることができないことがあり、それにより、この時には、圧縮行程末期に噴射される燃料は、あまり分散させることなく、第一点火プラグにより火花点火させ、この火花点火直後に燃料噴射弁により噴射される燃料を自着火燃焼させる第三スパークアシストディーゼル燃焼を実施するようになっている。
【００１５】
第二スパークアシストディーゼル燃焼は、気筒内周囲のドーナツ状の可燃混合気を第二点火プラグにより一点で火花点火させるために、ノッキングを発生し易い。これに対して、第三スパークディーゼル燃焼では、気筒上部略中心の燃料噴射弁近傍の第一点火プラグにより燃料を燃焼させるために、第一点火プラグ近傍の小さな一塊の可燃混合気の燃焼となり、ノッキングが発生し難い。
【００１６】
機関負荷が第二設定負荷以上となると、圧縮行程末期に噴射される燃料量は多くなり、あまり分散させることなく第一点火プラグにより火花点火させようとすると、酸素不足によって比較的多くの煤が発生する。それにより、この時には、圧縮行程末期の噴射燃料を気筒内周囲にドーナツ状に分散させて第二点火プラグにより火花点火させ、この火花点火直後に燃料噴射弁により噴射される燃料を自着火燃焼させる第二スパークアシストディーゼル燃焼を実施するようになっている。
【００１７】
本発明による請求項３に記載のスパークアシストディーゼルエンジンによれば、請求項２に記載のスパークアシストディーゼルエンジンにおいて、圧縮行程末期に噴射される燃料が含酸素燃料の場合には、あまり分散させることなく第一点火プラグにより火花点火させても、燃料自身の有する酸素によって酸素不足となり難いために、燃料噴射弁により噴射される燃料の含酸素燃料割合が高いほど、第二設定負荷を高負荷側として、火花点火燃焼に際してノッキングが発生し難い第三スパークアシストディーゼル燃焼の実施機会を増大させている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明によるスパークアシストディーゼルエンジンの実施形態を示す概略縦断面図であり、第一スパークアシストディーゼル燃焼の圧縮行程末期の点火時期を示している。同図において、１は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁であり、２ａは燃料噴射弁１近傍に配置された第一点火プラグであり、２ｂは気筒上部周囲に配置された第二点火プラグである。３はピストン、４は一対の吸気ポート、５は一対の排気ポートを、それぞれ示している。ピストン３の頂面には、中央部に比較して周囲部の方が深くされた略円形状の燃焼室３ａが形成されており、平面視において、燃料噴射弁１は燃焼室３ａの略中心に位置している。
【００１９】
燃料噴射弁１は、平面視において略放射状に燃料を噴射するための複数（例えば１０）の噴孔を有している。各噴孔は僅かに斜め下方向に燃料を噴射する。このように構成された本実施形態のスパークアシストディーゼルエンジンは、第一スパークアシストディーゼル燃焼を実施するために、先ずは、燃料噴射弁１により吸気行程において燃料を噴射し、気筒内に均質混合気を形成する。
【００２０】
このように形成された均質混合気を図１に示すように圧縮行程末期の点火時期において第一点火プラグ２ａによって火花点火する。こうして均質混合気を気筒上部略中心から火花点火燃焼させることにより、燃焼室内の圧力及び温度を中央から全体的に均一に高めることができる。
【００２１】
図２は、図１のスパークアシストディーゼルエンジンの点火時期直後の燃料噴射時期を示しており、図３は図２の気筒内平面図である。これらの図に示すように、圧縮行程末期の均質混合気の火花点火直後において、平面視において略放射状に複数方向（例えば１０方向）に燃料を噴射する燃料噴射弁１により、略均一に高温高圧とされた燃焼室３ａ内へ燃料Ｆが噴射される。こうして噴射された燃料Ｆは燃焼室３ａ内に広範囲に分散して燃焼室３ａ内の空気を十分に利用して良好に自着火燃焼することができる。
【００２２】
機関軽負荷時において、必要燃料量が少ない時には、均質混合気の火花点火直後の燃料噴射を実施しなくても良い。また、機関負荷が第一設定負荷以上となって必要燃料量が多くなると、それに伴って均質混合気を形成するために吸気行程において噴射される燃料量が多くなり、均質混合気の火花点火燃焼時にノッキングが発生し易くなる。それにより、本スパークアシストディーゼルエンジンは、機関負荷が第一設定負荷以上となる時に、第二スパークアシストディーゼル燃焼を実施するようになっている。
【００２３】
図４は、図１のスパークアシストディーゼルエンジンの第二スパークアシストディーゼル燃焼に際しての圧縮行程末期の点火時期を示しており、図５は図４の気筒内平面図である。これらの図に示すように、第二スパークアシストディーゼル燃焼時には、均質混合気は形成されず、圧縮行程末期において燃料噴射弁１により放射状に燃料が噴射される。このように噴射された燃料は、気筒内を飛行中に吸気との摩擦によって気化し、気筒上部周囲の第二点火プラグ２ｂに到達する時には気筒内周囲に環状（ドーナツ状）に繋がる可燃混合気Ｍとなる。
【００２４】
こうして燃料噴射弁１による圧縮行程末期の噴射燃料により形成された可燃混合気Ｍを第二点火プラグ２ｂにより火花点火させ、燃焼室３ａ内の圧力及び温度を高める。次いで、第二点火プラグ２ｂによる火花点火直後に、第一スパークアシストディーゼル燃焼と同様に、図２及び３に示すように、燃料噴射弁１により圧力及び温度が高められた燃焼室３ａ内に広範囲に燃料が噴射され、空気利用率の高い良好な自着火燃焼を実現することができる。
【００２５】
ところで、機関負荷が第一設定負荷以上であっても第二設定負荷未満である時には、圧縮行程末期の燃料噴射量がそれほど多くなく、この時に、噴射燃料を気筒内周囲に環状に分散させると、混合気が希薄となって火花点火が困難となることがある。それにより、機関負荷が第一設定負荷以上で第二設定負荷未満である時には、第三スパークアシストディーゼル燃焼を実施するようにしても良い。
【００２６】
図６は、図１のスパークアシストディーゼルエンジンの第三スパークアシストディーゼル燃焼に際しての圧縮行程末期の点火時期を示しており、同図に示すように、第三スパークアシストディーゼル燃焼時には、圧縮行程末期において燃料噴射弁１により放射状に噴射された燃料を、あまり分散させることなく、気筒上部略中心の燃料噴射弁１近傍の第一点火プラグ２ａによって火花点火させ、燃焼室３ａ内の圧力及び温度を高める。次いで、第一点火プラグ２ａによる火花点火直後に、第一スパークアシストディーゼル燃焼と同様に、図２及び３に示すように、燃料噴射弁１により圧力及び温度が高められた燃焼室３ａ内に広範囲に燃料が噴射され、空気利用率の高い良好な自着火燃焼を実現することができる。
【００２７】
第二スパークアシストディーゼル燃焼は、気筒内周囲のドーナツ状の可燃混合気を第二点火プラグ２ｂにより一点で火花点火させるために、ノッキングを発生し易い。これに対して、第三スパークディーゼル燃焼では、気筒上部略中心の燃料噴射弁１近傍の第一点火プラグ２ａにより燃料を燃焼させるために、第一点火プラグ近傍の小さな一塊の可燃混合気Ｍ’の燃焼となり、ノッキングが発生し難い。
【００２８】
機関負荷が第二設定負荷以上となると、圧縮行程末期に噴射される燃料量は多くなり、あまり分散させることなく第一点火プラグ２ａにより火花点火させようとすると、酸素不足によって比較的多くの煤が発生する。それにより、この時には、圧縮行程末期の噴射燃料を気筒内周囲にドーナツ状に分散させて第二点火プラグにより火花点火させ、この火花点火直後に燃料噴射弁により噴射される燃料を自着火燃焼させる第二スパークアシストディーゼル燃焼を実施する。
【００２９】
また、機関負荷が第二設定負荷より高い第三設定負荷以上となる時に過給を利用する等して多量の吸気が気筒内へ供給されるならば、圧縮上死点直前の気筒内圧力及び温度は非常に高くなり、スパークアシストを必要とせずに、燃料噴射弁１により単に燃料を噴射するだけで噴射燃料を自着火燃焼させることも可能である。
【００３０】
本スパークアシストディーゼルエンジンは、ピストン３の頂面に燃焼室３ａが形成されているが、このような燃焼室３ａが形成されていなくても、第一スパークアシストディーゼル燃焼、第二スパークアシストディーゼル燃焼、及び第三スパークアシストディーゼル燃焼は気筒内で実施可能である。
【００３１】
第一スパークアシストディーゼル燃焼、第二スパークアシストディーゼル燃焼、及び第三スパークアシストディーゼル燃焼において、第一点火プラグ２ａ及び第二点火プラグ２ｂの火花点火直後に、自着火燃焼のための燃料が燃料噴射弁１により噴射されるが、この噴射開始時期は、圧縮上死点前とすることが好ましい。しかしながら、燃料噴射開始時期を圧縮上死点後としても良い。
【００３２】
第一、第二、及び第三スパークアシストディーゼル燃焼によれば、自着火温度が高いガソリン、アルコール系燃料、又は天然ガス等のディーゼル燃焼が可能となり、また、燃料として軽油が使用される場合には内燃機関の圧縮比を下げることができ、例えば、内燃機関の重量を低減することが可能となる。本実施形態によれば、単一の燃料噴射弁１によって、空気利用率の高いスパークアシストディーゼル燃焼を実現することができる。
【００３３】
ところで、燃料噴射弁１から噴射される各燃料は、第一点火プラグ２ａに衝突しないようにされているが、燃料噴射弁１の近傍に配置される第一点火プラグ２ａには液状燃料が付着し易い。このような付着燃料は煤となって燻りを発生し、均質混合気の火花点火を失敗させることがある。
【００３４】
それにより、第一スパークアシストディーゼル燃焼時において、第一点火プラグ２ａによって均質混合気の火花点火に失敗した時には、次回の均質混合気の火花点火を第二点火プラグ２ｂによって実施することが好ましい。また、第二スパークアシストディーゼル燃焼から第一スパークアシストディーゼル燃焼へ切り換えられる時に、これまでの第二スパークアシストディーゼル燃焼の排気行程等において第一点火プラグ２ａの二次電圧を測定して第一点火プラグ２ａが正常に火花を発生させることができるか否かを判断し、この判断が否定される時には、第一スパークアシストディーゼル燃焼に際して均質混合気を第二点火プラグ２ｂによって火花点火させることが好ましい。このようにして、第一スパークアシストディーゼル燃焼の均質混合気の失火を防止する。
【００３５】
また、第二スパークアシストディーゼル燃焼から第三スパークアシストディーゼル燃焼へ切り換えられる時に、これまでの第二スパークアシストディーゼル燃焼の排気行程等において第一点火プラグ２ａの二次電圧を測定して第一点火プラグ２ａが正常に火花を発生させることができるか否かを判断し、この判断が否定される時には、第三スパークアシストディーゼル燃焼へ切り換えることなく第二スパークアシストディーゼル燃焼を継続することが好ましい。このようにして、第三スパークアシストディーゼル燃焼の火花点火燃焼の失火を防止する。
【００３６】
軽油又はガソリンとアルコール系燃料との二種類の燃料を搭載する場合には、第一スパークアシストディーゼル燃焼において、低負荷側では軽油又はガソリンを使用し、ノッキングが発生し易い高負荷側ではアルコール系燃料を使用する。しかしながら、第一点火プラグ２ａに煤が堆積したために、第二点火プラグ２ｂによって第一スパークアシストディーゼル燃焼の均質混合気を火花点火させる時には、機関負荷に係わらずに、煤が発生し難いアルコール系燃料を使用することが好ましい。
【００３７】
また、ガソリンとアルコール系燃料のような含酸素燃料とが一つの燃料タンクに運転者の都合により供給される場合において、圧縮行程末期に噴射される燃料が含酸素燃料の場合には、あまり分散させることなく第一点火プラグにより火花点火させても、燃料自身の有する酸素によって酸素不足となり難いために、燃料噴射弁１により噴射される燃料の含酸素燃料割合が高いほど、第二設定負荷を高負荷側とするようにしても良い。それにより、第二スパークアシストディーゼル燃焼より第三スパークアシストディーゼル燃焼の実施機会を増大させ、火花点火燃焼に際してノッキングを発生し難くすることができる。
【００３８】
燃料タンク内の含酸素燃料の割合は、吸収スペクトル分析により検出することができ、又は、給油された燃料の量及び種類の情報から算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるスパークアシストディーゼルエンジンの実施形態を示す概略縦断面図であり、第一スパークアシストディーゼル燃焼の圧縮行程末期の点火時期を示している。
【図２】図１のスパークアシストディーゼルエンジンの点火時期直後の燃料噴射時期を示している。
【図３】図２の気筒内平面図である。
【図４】図１のスパークアシストディーゼルエンジンの第二スパークアシストディーゼル燃焼に際しての圧縮行程末期の点火時期を示している。
【図５】図４の気筒内平面図である。
【図６】図１のスパークアシストディーゼルエンジンの第三スパークアシストディーゼル燃焼に際しての圧縮行程末期の点火時期を示している。
【符号の説明】
【００４０】
１    燃料噴射弁
２ａ    第一点火プラグ
２ｂ    第二点火プラグ
３    ピストン
３ａ    燃焼室
４    吸気ポート
５    排気ポート
【図１】
0005056540.tif 000002
【図２】
0005056540.tif 000003
【図３】
0005056540.tif 000004
【図４】
0005056540.tif 000005
【図５】
0005056540.tif 000006
【図６】
0005056540.tif 000007