(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の温度が燃料の初留点に達するクランク角よりも噴射燃料粒子の分散に必要な一定クランク角度前の圧縮行程中又は吸気行程中に燃料噴射を完了させると共に、燃料噴射時の噴射燃料の平均粒径を燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後にそのときの圧力により定まる主要燃料成分の沸点に達する粒径以上とし、噴射後ほぼ圧縮上死点に達するまでは燃料粒子からの主要燃料成分の沸騰による燃料の蒸発を阻止すると共にほぼ圧縮上死点後に燃料粒子中の主要燃料成分を沸騰蒸発させて燃料を着火燃焼せしめるようにした内燃機関。
【請求項２】
噴射燃料として軽油を用いたときにはほぼ圧縮上死点前１２０度以前に燃料噴射が完了せしめられる請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
噴射燃料としてガソリンを用いたときにはほぼ圧縮上死点前１５０度以前に燃料噴射が完了せしめられる請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
燃料粒子に着火エネルギを付与するエネルギ付与手段を具備し、該エネルギ付与手段により付与されたエネルギによって燃料を着火燃焼せしめるようにした請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
上記エネルギ付与手段が点火栓である請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
燃料のセタン価が５以上である請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮上死点前６０度よりも少し前の圧縮行程中において燃焼室内に燃料を噴射すると共に、このときの噴射燃料の平均粒径を燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後にそのときの圧力により定まる主要燃料成分の沸点に達する粒径以上とし、噴射後ほぼ圧縮上死点に達するまでは燃料粒子からの主要燃料成分の沸騰による燃料の蒸発を阻止すると共にほぼ圧縮上死点後に燃料粒子中の主要燃料成分を沸騰蒸発させて燃料を着火燃焼せしめるようにした圧縮着火式内燃機関が公知である（特開平７−３１７５８８号公報）。
【０００３】
この圧縮着火式内燃機関では噴射燃料の粒子を燃焼室内に均一に分散させ、それによってすすおよびＮＯX の発生がほぼ零にすることを意図している。即ち、燃焼室内の圧力が高くなると空気抵抗が大きくなるために噴射燃料粒子を広範囲に分散させることができず、従ってこの噴射燃料粒子が広範囲に分散しうるように燃焼室内の圧力が低い圧縮上死点前６０度よりも少し前に燃料噴射を行うようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらたとえ噴射燃料粒子が広範囲に分散されたとしても燃料粒子からの蒸発燃料の密度の濃い部分が形成されるとＮＯX やすすが発生することになる。その理由については後に詳細に説明するが概略的に云うと以下の通りである。
即ち、上述したように圧縮上死点前６０度よりも少し前に燃料噴射を行い、このときの燃料粒子の粒径が大きいとほぼ圧縮上死点に達するまでは燃料粒子からの主要燃料成分の沸騰による燃料の蒸発作用は阻止される。しかしながら噴射燃料中には低沸点成分が含まれており、この低沸点成分の沸騰温度、即ち初留点は主要燃料成分の沸騰温度よりもかなり低い温度となっている。従って燃料噴射時における燃焼室内の温度が初留点以上であれば噴射燃料中の低沸点成分はただちに蒸発し、これに対して燃料噴射時における燃焼室内の温度が初留点以下であれば燃焼室内の温度が初留点を越えたときに噴射燃料中の低沸点成分が蒸発せしめられる。噴射燃料中の低沸点成分が蒸発せしめられると燃料粒子の周りには低沸点成分の蒸発燃料の層が形成される。
【０００５】
一方、圧縮行程が進むと燃焼室内の温度が上昇し、燃焼室内の温度が一定温度以上になると燃料粒子周りの蒸発燃料が酸素と結合して燃焼せしめられる。このとき燃料粒子の密度が高いと燃料粒子は周囲の燃料粒子から蒸発燃料の燃焼熱を受けて高温となり、その結果燃料粒子内の炭化水素が水素分子Ｈ2 や炭素Ｃに熱分解される。この熱分解により発生した水素分子Ｈ2 は爆発的に燃焼して高温を発生し、斯くしてＮＯX が発生することになる。一方、熱分解により炭素Ｃが発生するとこれら炭素同志が結合し、その一部がすすとして排出されることになる。
【０００６】
このように燃料粒子の密度が高いと燃料粒子内の炭化水素の熱分解作用に起因してＮＯX やすすが発生する。このようなＮＯX やすすの発生を阻止するためには燃料粒子間の間隔を大きくしてやればよく、そのためには燃料粒子を広範囲に分散させてやればよいことになる。そこで上述の筒内噴射式内燃機関では燃料粒子を広範囲に分散させるために圧縮上死点前６０度よりも少し前に燃料噴射を行うようにしている。
【０００７】
しかしながら圧縮上死点前６０度よりも少し前の燃焼室内の温度は噴射燃料の初留点よりも高くなっており、従って燃料が噴射されると噴射燃料中の低沸点成分はただちに蒸発することになる。その結果、燃料噴射弁周りには局所的に低沸点成分の蒸発燃料の密度の高い領域が形成されることになる。このように蒸発燃料の密度の高い領域が形成されるとたとえ燃料粒子間の間隔が大きくなっていても燃料粒子間に高い密度で存在する蒸発燃料の燃焼熱によって燃料粒子が高温となり、斯くして燃料粒子内の炭化水素が水素分子Ｈ2 や炭素Ｃに熱分解されるためにＮＯX およびすすが発生することになる。
【０００８】
このようなＮＯX およびすすの発生を阻止するためには局所的に低沸点成分の蒸発燃料の密度の高い領域が形成されないようにする必要があり、そのためには燃焼室内の温度が初留点に達する前に燃料噴射を完了させかつ噴射燃料の分散を完了しておく必要がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで本願発明では、燃焼室内の温度が燃料の初留点に達するクランク角よりも噴射燃料粒子の分散に必要な一定クランク角度前の圧縮行程中又は吸気行程中に燃料噴射を完了させると共に、燃料噴射時の噴射燃料の平均粒径を燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後にそのときの圧力により定まる主要燃料成分の沸点に達する粒径以上とし、噴射後ほぼ圧縮上死点に達するまでは燃料粒子からの主要燃料成分の沸騰による燃料の蒸発を阻止すると共にほぼ圧縮上死点後に燃料粒子中の主要燃料成分を沸騰蒸発させて燃料を着火燃焼せしめるようにしている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１から図３を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は一対の吸気弁、７は一対の吸気ポート、８は一対の排気弁、９は一対の排気ポート、１０は燃焼室５の頂部中央部に配置された燃料噴射弁を夫々示す。各吸気ポート７は吸気マニホルド１１を介してエアクリーナ１２に連結され、各排気ポート９は排気マニホルド１３を介して排気管１４に連結される。図２および図３に示されるように各吸気ポート７はほぼまっすぐに延びるストレートポートからなり、従って図１から図３に示す内燃機関では吸気ポート７から燃焼室５内に流入する空気流によって燃焼室５内にはスワールが発生せしめられない。
【００１６】
図１に示されるように電子制御ユニット２０はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス２１によって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２，ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２３，ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２４、入力ポート２５および出力ポート２６を具備する。吸気マニホルド１１内には吸気温に比例した出力電圧を発生する吸気温センサ１５が取付けられ、この吸気温センサ１５の出力電圧が対応するＡＤ変換器２７を介して入力ポート２５に入力される。また、アクセルペダル３０はアクセルペダル３０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ３１に接続され、この負荷センサ３１の出力電圧は対応するＡＤ変換器２７を介して入力ポート２５に入力される。更に入力ポート２５には機関が一定クランク角度回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ３２が接続され、このクランク角センサ３２の出力パルスから現在のクランク角と機関回転数とが算出される。一方、出力ポート２６は対応する駆動回路２８を介して各燃料噴射弁１０に接続される。
【００１７】
図４は燃焼噴射弁１０の側面断面図を示している。図４を参照すると、４１は噴射弁本体４０内において摺動可能なニードル、４２はニードル４１の先端部に一体形成された弁体、４３はニードル４１の上端部に取付けられたスプリングリテーナ、４４はスプリングリテーナ４３を上方に向けて付勢する圧縮ばね、４５はニードル４１と整列配置されたロッド、４６は最大噴射量時における燃料噴射量の数十倍の容積を有する燃料貯留室、４７は噴射弁本体４０内において摺動可能に配置されたピストン、４８はピストン４７を駆動するためのピエゾ圧電素子、４９はピストン４７をピエゾ圧電素子４８に向けて付勢する皿ばね、５０はピストン４７の頂面により画定された可変容積室、５１は燃料供給口を夫々示す。
【００１８】
燃料供給口５１は噴射ポンプ（図示せず）に連結され、噴射ポンプから吐出された燃料が燃料供給口５１に供給される。燃料供給口５１に供給された燃料は燃料供給口５１から燃料貯留室４６に向けてのみ流通可能な逆止弁５２を介して燃料貯留室４６に供給される。燃料貯留室４６内に供給された燃料は一方では燃料通路５３を介してニードル４１の先端部周りに導びかれ、他方では燃料貯留室４６から可変容積室５０に向けてのみ流通可能な逆止弁５４を介して可変容積室５０に供給される。可変容積室５０内に供給された燃料はロッド４５の頂面５５に導びかれ、従って可変容積室５０内の燃料圧がロッド４５の頂面５５に作用することになる。
【００１９】
図５はニードル４１の先端部を示している。図５に示されるようにニードル４１の弁体４２は円錐状の噴射燃料案内面４２ａを有し、この噴射燃料案内面４２ａは通常圧縮ばね４４（図４）のばね力によりシート面５６上に着座している。このとき燃料噴射弁１０からの燃料噴射は停止せしめられている。燃料噴射弁１０から燃料を噴射すべきときにはピエゾ圧電素子４８に電荷がチャージされる。ピエゾ圧電素子４８に電荷がチャージされるとピエゾ圧電素子４８が軸方向に伸長するためにピストン４７が下降せしめられる。ピストン４７が下降せしめられると可変容積室５０内の燃料圧が上昇し、斯くしてロッド４５が押し下げられるためにニードル４１が下降して弁体４２がシート面５６から離れる。その結果、燃料貯留室４６内の燃料が弁体４２とシート面５６間から噴射される。
【００２０】
次いでピエゾ圧電素子４８にチャージされている電荷がディスチャージされるとピエゾ圧電素子４８は軸方向に収縮し、ピストン４７が上昇する。その結果、可変容積室５０内の燃料圧が低下するためにロッド４５およびニードル４１が圧縮ばね４４のばね力により上昇し、弁体４２の噴射燃料案内面４２ａが再びシート面５６上に着座する。斯くして燃料の噴射作用が停止せしめられる。
【００２１】
図５に示されるように燃料噴射時には噴射燃料Ｆは弁体４２の噴射燃料案内面４２ａにより案内されてニードル４１の先端から、即ち燃料噴射弁１０のノズル口から薄膜円錐状に広げられる。図１から図３に示される実施例では燃料噴射弁１０は燃焼室５の頂部中央部に配置されており、従ってこの実施例では図２に示されるように燃料Ｆは燃焼室５の頂部中央部から燃焼室５の周辺部に向けて薄膜円錐状に広がるように噴射される。
【００２２】
次に図７を参照しつつ本発明の基本となる燃焼方法について説明する。なお、図７において縦軸Ｐは燃焼室５内の圧力を示しており、横軸Ｔは燃焼室５内における燃料等の温度を示している。また、図７において曲線Ｚは圧縮行程時における燃焼室５内の圧力Ｐと燃焼室５内のガス温Ｔとの関係を示しており、図７に示されるように圧縮行程が進むとそれに伴なって燃焼室５内のガス温Ｔが次第に高くなる。
【００２３】
ところで燃焼室５内に自着火可能な燃料が供給され、次いで燃料粒子の温度が上昇し、そのとき燃料粒子の周りに十分な空気が存在すると通常、最初に冷炎反応が行われ、アルデヒドが生成される。アルデヒドの生成過程は明らかではないが以下のようにしてアルデヒドが生成されるものと考えられる。
【００２４】
【化１】
0003743099.tif 000002
【００２５】
即ち、上述の反応（１）に示されるようにまず初めに酸素分子がラジカルとなる。次いで上述の反応（２）に示されるように酸素ラジカルが直鎖炭化水素の末端炭素を攻撃し、その結果直鎖炭化水素の末端炭素がラジカルになると共に水酸基が生成される。次いで上述の反応（３）に示されるように末端炭素と酸素分子とが反応して末端炭素に酸素ラジカルが結合する。次いで上述の反応（４）に示されるように酸素ラジカルが水酸基となり、次いで水酸基がアルデヒド基となる。この冷炎反応は燃焼室５内の圧力Ｐおよび燃料粒子の温度Ｔが図７に示される曲線Ｋ１を越えると生じる。
【００２６】
一方、燃焼室５内の圧力Ｐおよび燃料粒子の温度Ｔが図７に示される曲線Ｋ２を越えるとアルデヒドの量が変化しなくなる。このときには上述の反応（３）とこれと逆向きの反応とが平衡状態となり、斯くしてアルデヒドの生成が停止しているものと考えられる。
一方、燃焼室５内の圧力Ｐおよび燃料粒子の温度Ｔが図７に示される曲線Ｋ３を越えると燃料は爆発的に燃焼せしめられる。この領域は図７に示されるように熱炎領域と称される。この熱炎領域よりも下方で、即ち曲線Ｋ３よりも下方でかつ曲線Ｋ２よりも上方の領域では上述したようにアルデヒドの生成が停止されており、即ち反応が停滞した状態にあり、従って曲線Ｋ３の下方でかつ曲線Ｋ２よりも上方の領域は反応停滞領域と称される。
【００２７】
一方、曲線Ｋ２およびＫ３よりも下方であって曲線Ｋ１よりも上方の領域では冷炎反応が行われ、従ってこの領域は図７に示されるように冷炎領域と称される。
前述したように図７の曲線Ｚは圧縮行程中における燃焼室５内のガス温Ｔを表している。燃焼室５内に供給された燃料の粒子の径が小さいと燃料粒子の温度は燃焼室５内のガス温Ｔにほぼ一致するので燃料粒子の温度Ｔは圧縮行程中、広い範囲に亘って横切る曲線Ｚに沿って上昇することになる。即ち、燃料粒子は比較的長い時間に亘って冷炎領域内に留まることになる。
【００２８】
前述したように冷炎領域内にはいるとアルデヒドが生成される。この場合、燃料粒子が比較的長い期間に亘って冷炎領域内に留まっていると直鎖炭化水素の末端炭素がアルデヒドとなって離れ、これが繰返されるために直鎖炭化水素の炭素数が次第に減少していく。このようにしてアルデヒドの生成が進行すると発熱量が増大し、その結果燃料粒子の温度が急上昇するために燃料粒子の温度Ｔは図７のＺ1 で示されるように圧縮行程中に熱炎領域内に達することになる。燃料粒子の温度Ｔが火炎領域内に達すると急激な燃焼が行われ、いわゆる過早着火をひき起こす。
【００２９】
一方、図７の曲線Ｘは粒径の大きな燃料粒子の温度Ｔの変化を示している。燃料粒子の粒径が大きくなると燃料粒子の温度上昇速度が遅くなるために図７に示されるように燃料粒子の温度Ｔは圧縮行程中に冷炎領域の最低温度付近を通って上昇することになる。図７に示す例では燃料粒子は極めて短時間、冷炎領域内に留まっている。このように燃料粒子が極めて短時間しか冷炎領域内に留まらない場合にはアルデヒドはほとんど発生せず、たとえ発生したとしても極めて小量となる。この場合には発熱量が小さく、斯くして過早着火が生じることがない。
【００３０】
次いで圧縮行程が進むと燃料粒子の温度Ｔは曲線Ｚに沿って反応停滞領域内を上昇する。前述したように反応停滞領域内ではアルデヒドの生成が停止され、従ってこのときには発熱作用は生じない。次いで圧縮上死点に達すると図７に示される例では燃料粒子は曲線Ｋ３の下方で曲線Ｋ３のすぐ近くの状態Ｙとなる。この状態Ｙでは極めて燃焼しやすい状態となっているがまだ燃焼は行われていない。次いで圧縮上死点を越え、燃焼室５内の圧力が低下しはじめると燃料が燃料粒子から沸騰蒸発する。燃料が沸騰蒸発すると図７のＸ１で示されるように蒸発燃料の温度ＴはＺで示される燃焼室５内のガス温に向けて急激に上昇し、ただちに熱炎領域内に達する。その結果、燃料の燃焼が開始されることになる。
【００３１】
このとき燃料粒子が燃焼室５内の一部に集まっていると後述するように燃焼室５内の温度が局所的に高温となり、ＮＯX やすすが発生する。しかしながらこのとき燃料粒子が燃焼室５内に均一に分散されていると燃焼室５内の温度は全体的に低くなり、斯くしてＮＯX およびすすが全く発生しなくなる。即ち、燃料粒子の温度Ｔが曲線Ｘに沿って変化し、かつ状態Ｙになったときに燃料粒子が燃焼室５内に均一に分散されていればＮＯX およびすすが全く発生しないことになる。
【００３２】
一方、図７において燃料粒子が状態Ｙになったときに燃料粒子に着火エネルギを付与すると図７のＸ２で示されるようにただちに熱炎領域に達し、燃料の着火が開始される。この着火エネルギは例えば図６に示すようにシリンダヘッド内壁面３ａ上に配置した点火栓１６によって付与することができる。また、この着火エネルギとしてはレーザ光や超音波を用いることもできる。
【００３３】
また、機関の圧縮比を高めると燃料粒子は状態Ｙを越えて図７のＸ３で示されるようにほぼ圧縮上死点において熱炎領域内に到達し、燃料の着火が開始される。
前述したように燃料粒子の径が小さいときには燃料粒子の温度Ｔは図７の曲線Ｚに沿って上昇し、その結果過早着火をひき起こす。過早着火が生じると燃焼圧が急激に上昇し、多量のＮＯX およびすすを発生することになる。これに対して燃料粒子の径が大きいときには燃料粒子の温度Ｔは図７の曲線Ｘに沿って上昇し、燃料粒子が状態Ｙになったときに燃料粒子が燃焼室５内全体に均一に分散されていればＮＯX およびすすが全く発生しなくなる。従ってＮＯX およびすすが全く発生しないようにするための一つの方法は燃料粒子の径を大きくすることにある。
【００３４】
なお、燃料粒子の径を大きくしても燃料粒子の温度Ｔが高くなると燃料粒子の温度Ｔは曲線Ｚで示されるように比較的長い時間に亘って冷炎領域内に留まり、斯くして過早着火をひき起こす。即ち、燃料粒子が燃焼室内壁面から多量の熱を受け取った場合、燃焼室５内に吸入される吸入空気の温度が高い場合、排気ガスを再循環した場合には燃料粒子の温度Ｔが高くなるのでたとえ燃料粒子の径が大きいとしても過早着火を生じる危険性が大となる。
【００３５】
これに対して燃料粒子の径が小さくても燃料粒子の温度Ｔが低い場合には燃料粒子の温度Ｔを曲線Ｘに沿うように変化させることも不可能ではない。例えば燃料を冷却するとか、吸入空気を冷却するとか、水噴射を行うとかして燃料粒子の温度Ｔが圧縮行程中にあまり上昇しないようにすればたとえ燃料粒子の径を小さくしたとしてもＮＯX およびすすが全く発生しない燃焼が可能となる。
【００３６】
いずれにしてもＮＯX およびすすが全く発生しないようにするためには燃料粒子の温度Ｔを冷炎領域の最低温度付近を通って上昇させる必要がある。この場合、最低温度付近の範囲については明確に定義できないがこの範囲を冷炎領域においてほとんど発熱が生じない範囲と云い換えることもできる。
なお、本発明は自着火による多点着火、即ちバルク的な燃焼を行わせることを意図しているので燃料としては軽油等の自着火しうる燃料が用いられる。無論燃料としてガソリンを用いることもできるが通常のガソリンは自着火しないので通常のガソリンを用いることはできない。この場合、セタン価が５以上になればガソリンであっても自着火しうるのでガソリンであってもセタン価が５以上であれば用いることができ、また軽油やガソリン以外の燃料であってもセタン価が５以上であれば用いることができる。
【００３７】
次にＮＯX およびすすが全く発生しないようにするために噴射燃料の粒径を大きくした場合についてもう少し具体的に説明する。なお、同時に燃料粒子を燃焼室５内に均一に分散させる必要性についても説明する。なお、以下、最もすすおよびＮＯX が発生しやすい高負荷運転時に焦点をあてて説明する。
従来のように燃料粒子の平均粒径が５０μｍ以下となるように燃料を微粒化して噴射するようにしている限り噴射時期をいかに設定しようとも燃料噴射圧をいかに設定しようともすすとＮＯX の同時低減を図ることは困難であり、ましてやすすおよびＮＯX の発生量を実質的に零にすることは不可能である。これは従来の燃焼方法に本質的な問題があるからである。即ち、従来の燃焼方法においては燃料粒子の粒径が小さいために燃料が噴射されるや否や一部の燃料がただちに気化し、この気化した燃料により早期に急激な燃焼が開始される。このように噴射開始後早期に急激な燃焼が開始されると後続する噴射燃料が燃焼火炎内に飛び込むためにこれらの噴射燃料は空気不足の状態で燃焼せしめられることになり、斯くしてすすが発生することになる。また噴射燃料が早期に急激に燃焼して燃焼圧が急激に上昇すると燃焼温度が高くなり、斯くしてＮＯX が発生することになる。
【００３８】
ところが噴射燃料の平均粒径を従来の燃焼方法において使用されている平均粒径よりも大巾に大きくし、かつ噴射時期を従来の燃焼方法において通常使用されている噴射時期よりもかなり早めるとすすおよびＮＯX の発生量を実質的に零まで低減することができる。次にこのことについて説明する。
図８の曲線はピストン４の圧縮作用のみによる燃焼室５内の圧力Ｐの変化を示している。図８からわかるように燃焼室５内の圧力Ｐはほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ６０度を越えると急速に上昇する。これは吸気弁６の開弁時期とは無関係であっていかなる往復動式内燃機関であっても燃焼室５内の圧力Ｐは図８に示されるように変化する。
【００３９】
図９の実線で示す曲線は各クランク角における燃料中の主要成分の沸騰温度、即ち沸点Ｔを示している。燃焼室５内の圧力Ｐが上昇すれば主要燃料成分の沸点Ｔもそれに伴なって上昇するので主要燃料成分の沸点Ｔもほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ６０度を越えると急速に上昇する。一方、図８において破線は圧縮上死点前ＢＴＤＣθ0 度において燃料が噴射されたときの燃料粒子の径の差による燃料粒子の温度変化の差異を示している。噴射直後の燃料粒子の温度はそのときの圧力により定まる沸点Ｔよりも低く、次いで燃料粒子は周囲から熱を受けて温度上昇する。このときの燃料粒子の温度上昇速度は粒径が小さいほど速くなる。
【００４０】
即ち、燃料粒子の粒径が２０μｍから５０μｍ程度であったとすると燃料粒子の温度は噴射後急速に上昇して圧縮上死点ＴＤＣよりもはるか前のクランク角において沸点Ｔに達し、燃料粒子からの沸騰による急激な主要燃料成分の蒸発作用が開始される。また、図９からわかるように燃料粒子の粒径が２００μｍの場合でも燃料粒子の温度は圧縮上死点ＴＤＣに達する前に沸点Ｔに達し、沸騰による急激な主要燃料成分の蒸発作用が開始される。このような場合には燃料粒子は図７の曲線Ｚで示されるように比較的長時間に亘って冷炎領域内に留まる。その結果、過早着火による爆発的な燃焼が生じ、斯くして多量のすすおよびＮＯX が発生することになる。
【００４１】
これに対して燃料粒子の径が５００μｍ程度よりも大きくなると燃料粒子の温度の上昇速度が遅くなるためにほぼ圧縮上死点ＴＤＣ或いはそれ以後にならないと燃料粒子の温度が沸点Ｔに達しない。即ち、この場合には燃料粒子の温度は図７の曲線Ｘで示されるように冷炎領域の最低温度付近を上昇する。従って燃料粒子の径を５００μｍ程度よりも大きくすればほぼ圧縮上死点ＴＤＣ或いは圧縮上死点ＴＤＣ後に沸騰による急激な主要燃料成分の蒸発作用が開始されることになる。従って燃料粒子の径が５００μｍ程度よりも大きくなると冷炎反応に基づくすすおよびＮＯX の発生を阻止できることになる。
【００４２】
なお、噴射燃料の粒径は完全に均一になることはあり得ないので噴射燃料の粒径を考える場合には噴射燃料の平均粒径で考えることが好ましいと云える。このように考えると噴射燃料の平均粒径を燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点ＴＤＣ又は圧縮上死点ＴＤＣ後にそのときの圧力により定まる主要燃料成分の沸点Ｔに達する粒径以上とすればほぼ圧縮上死点ＴＤＣ後に燃料粒子からの沸騰による急激な主要蒸発成分を生じることになる。
【００４３】
ところですすおよびＮＯX の発生量をほぼ零にするためには燃料粒子の径をほぼ５００μｍ程度よりも大きくすることに加え、噴射された燃料粒子を燃焼室５内に均一に分散させることが必要となる。次にこのことについて図１０を参照しつつ説明する。なお、図１０においてＸは夫々燃料粒子を示している。
上述したように圧縮行程の早期に燃料を噴射し、このときの燃料粒子Ｘの径をほぼ５００μｍ程度よりも大きくするとほぼ圧縮上死点ＴＤＣに達するまでは燃料粒子Ｘからの沸騰による主要燃料成分の蒸発作用が阻止される。しかしながら噴射燃料中には低沸点成分が含まれており、この低沸点成分の沸騰温度、即ち初留点は主要燃料成分の沸騰温度Ｔよりもかなり低い温度となっている。従って燃料噴射時における燃焼室５内の温度が初留点以上であれば噴射燃料中の低沸点成分はただちに蒸発し、これに対して燃料噴射時における燃焼室５内の温度が初留点以下であれば燃焼室５内の温度が初留点を越えたときに噴射燃料中の低沸点成分が蒸発せしめられる。噴射燃料中の低沸点成分が蒸発せしめられると燃料粒子Ｘの周りには低沸点成分の蒸発燃料の層が形成されることになる。
【００４４】
一方、圧縮行程が進むと燃焼室５内の温度が上昇し、燃焼室５内の温度が一定温度以上になると燃料粒子Ｘ周りの蒸発燃料が酸素と結合して燃焼せしめられる。即ち、燃料粒子Ｘ周りの蒸発燃料の酸化反応による燃焼が開始される。このとき各燃料粒子Ｘ周りの蒸発燃料の燃焼熱の及ぶ領域が図１０の各燃料粒子Ｘ周りの破線Ｙで示されている。図１０（Ａ）に示すように燃料粒子Ｘの密度が低いときにはこれら領域Ｙは互いに離れており、図１０（Ｂ）に示すように燃料粒子Ｘの密度が高いときには領域Ｙ同志が互いに重なり合う。
【００４５】
図１０（Ｂ）に示されるように領域Ｙ同志が互いに重なると燃料粒子Ｘ周りの蒸発燃料の燃焼熱により燃料粒子Ｘ間の空間領域の温度が高くなる。このように燃料粒子Ｘ間の空間領域の温度が高くなると燃料粒子Ｘは高温となり、その結果燃料粒子Ｘ内の炭化水素が水素分子Ｈ2 や炭素ＣやメタンＣＨ4 に熱分解される。その結果、燃焼室５内の温度が上昇するとこの水素分子Ｈ2 が爆発的に燃焼し、それによって燃焼室５内の温度が極度に高温になるために多量のＮＯX が発生することになる。また、熱分解により炭素Ｃが発生するとこれら炭素同志が互いに結合してすすが発生することになる。即ち、図１０（Ｂ）に示されるように燃料粒子の密度が高くなると、即ち燃焼室５内に局所的に過濃な領域が形成されるとＮＯX およびすすが発生することになる。
【００４６】
これに対して図１０（Ａ）に示されるように領域Ｙが互いに離れていると燃料粒子Ｘ周りの蒸発燃料の燃焼熱が他の燃料粒子Ｘ周りの領域Ｙに伝達されず、その結果、各燃料粒子Ｘの温度はさほど高くならない。その結果、燃料粒子Ｘ内の炭化水素の熱分解が生じないために水素分子Ｈ2 による爆発的な燃焼が生じず、従って燃焼室５内の温度が極度に高くなることもないのでＮＯX の発生が阻止されることになる。また、熱分解により炭素Ｃが発生することもないので炭素同志が互いに結合してすすまで成長することがなくなる。このように図１０（Ａ）に示される如く燃料粒子Ｘが均一に分散されて燃料粒子Ｘの密度が低くなればすすおよびＮＯX の発生を阻止できることになる。
【００４７】
ところで図１０（Ａ）に示されるように燃料粒子Ｘを燃焼室５内全体に均一に分散させるためには燃焼室５内の圧力Ｐが低いときに燃焼噴射弁１０から燃料を噴射させなければならない。即ち、燃焼室５内の圧力Ｐが高くなると空気抵抗が大きくなるために噴射燃料の飛行距離が短かくなり、斯くしてこのときには図１１（Ａ）に示されるように燃料粒子が燃焼室５内全体に広がることができない。前述したように燃焼室５内の圧力Ｐはほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ６０度を越えると急速に上昇して高くなり、事実ほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ６０度を越えた後に燃料噴射を行うと図１１（Ａ）に示されるように燃料粒子が燃焼室５内に十分に広がらない。これに対してほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ６０度以前は燃焼室５内の圧力Ｐは低く、従ってほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ６０度以前に燃料噴射が行われると図１１（Ｂ）に示されるように燃料粒子が燃焼室５内の全体に亘って均一に分散することになる。即ち、燃料粒子を燃焼室５内の全体に亘って均一に分散させるためには燃料噴射をほぼ圧縮上死点ＢＴＤＣ  ６０度以前に行う必要がある。
【００４８】
ところが図１２に示されるように燃焼室５内の温度Ｔ0 は圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ９０度付近から急速に上昇を開始し、圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ６０度付近では燃焼室５内の温度Ｔ0 が噴射燃料の初留点よりも高くなる。従って圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ６０度以前に燃料噴射を行えば燃料粒子は広範囲に分散せしめられるがこのとき燃焼室５内の温度Ｔ0 が初留点よりも高いと燃料が噴射されるや否や噴射燃料中の低沸点成分がただちに蒸発し、斯くして燃料噴射弁１０周りには局所的に低沸点成分の蒸発燃料の密度の高い領域が形成されることになる。
【００４９】
このように蒸発燃料の密度の高い領域が形成されると、即ち燃焼室５内に局所的に過濃な領域が形成されると図１０（Ａ）に示されるようにたとえ燃料粒子Ｘ間の間隔が大きくなっていたとしても蒸発燃料の燃焼熱の及ぶ領域Ｙは図１０（Ａ）に示すように互いに離れたような形にはならず、蒸発燃料の密度の高い領域では燃料粒子Ｘ間の空間が蒸発燃料によって埋め尽くされてしまう。ところがこのように燃料粒子Ｘ間の空間が蒸発燃料によって埋め尽くされるとこの蒸発燃料が燃焼したときにこの蒸発燃料の燃焼熱でもって燃料粒子Ｘが高温となる。その結果、燃料粒子Ｘ内の炭化水素が水素分子Ｈ2 や炭素Ｃに熱分解され、斯くしてＮＯX およびすすが発生することになる。
このようなＮＯX およびすすの発生を阻止するためには局所的に低沸点成分の蒸発燃料の密度の高い領域が形成されないようにすること、即ち図１０（Ａ）に示すような状態にすることが必要となる。そのためには燃料粒子Ｘが分散を完了したとき、又はその後に燃料粒子Ｘからの低沸点成分の蒸発が開始されるようにすること、即ち、燃焼室５内の温度Ｔ0 が初留点に達するまでに燃料の噴射作用および燃料粒子Ｘの分散が完了していることが必要となる。燃焼室５内の温度Ｔ0 が初留点に達する前に燃料粒子Ｘが分散せしめられていると燃焼室５内の温度Ｔ0 が初留点に達したときに各燃料粒子Ｘからの低沸点成分の蒸発が開始され、斯くして図１０（Ａ）に示されるように領域Ｙが互いに離れることになる。その結果、燃料粒子Ｘ内において熱分解が生じず、斯くしてＮＯX およびすすが発生しないことになる。
【００５０】
具体例を挙げると通常の軽油は沸点が１５０℃から３６０℃程度の種々の燃料成分を含んでおり、従って軽油の初留点は１５０℃程度である。燃焼室５内の温度Ｔ0 が１５０℃程度になるのが圧縮上死点前ＢＴＤＣ  ７０度前後であり、噴射完了後燃料粒子が分散を完了するまでのクランク角度は４０度程度であると考えられるので少し余裕を見込んで圧縮上死点前ＢＴＤＣ  １２０度位までには噴射を完了させなければならないことになる。従って本発明による実施例では軽油を用いた場合には圧縮上死点前ＢＴＤＣ  １２０度までに燃料噴射を完了させるようにしている。
【００５１】
一方、ガソリンを用いる場合には前述したようにセタン価が５以上のガソリンが使用される。このガソリンは沸点が３０℃から１６０℃程度の種々の燃料成分を含んでおり、従ってガソリンの初留点は３０℃程度である。燃焼室５内の温度Ｔ0 が３０℃程度になるのは圧縮上死点前ＢＴＤＣ  １００度前後であり、前述したように噴射完了後燃料粒子が分散を完了するまでのクランク角度は４０度程度であると考えられるので少し余裕を見込んで圧縮上死点前ＢＴＤＣ  １５０度位までには噴射を完了させなければならないことになる。従って本発明による実施例ではガソリンを用いた場合には圧縮上死点前ＢＴＤＣ  １５０度までに燃料噴射を完了させるようにしている。
【００５２】
なお、燃焼室５内の温度Ｔ0 は圧縮比および吸気温によって定まり、初留点は燃料に応じて定まる。圧縮比は機関に応じて定まり、また市販されている燃料の初留点はほぼ一定範囲内にあるので燃焼室５内の温度Ｔ0 は実際には吸気温だけの関数となる。吸気温が高くなるほど初留点に達するクランク角が早くなるので図１３（Ａ）に示されるように吸気温ＴＨＡが高くなるほど噴射完了時期θＥが早められる。なお、噴射時期は圧縮行程時でも吸気行程時でもよい。
【００５３】
このような燃焼方法を実行するに当って重要な点は大きな粒径の燃料を燃料粒子同志の間隔を隔だてつつ燃焼室５内全体に分散させることであり、従ってハードの面からみるとこの燃焼方法を実行する上で燃料噴射弁１０が重要な役割を果すことになる。図４はこの燃焼方法を実行するのに適した燃料噴射弁１０の一例を示しており、この燃料噴射弁１０では燃料粒子の径を大きくしうるように燃料噴射圧は２０MPa 程度の低圧に設定されている。
【００５４】
図１４に噴射制御ルーチンを示す。
図１４を参照するとまず初めにステップ６０において燃料噴射量Ｑが算出される。この燃料噴射量Ｑはアクセルペダル３０の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図１３（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ２２内に記憶されている。次いでステップ６１では図１３（Ａ）に示す関係から燃料噴射完了時期θＥが算出される。次いでステップ６２では燃料噴射量Ｑ、燃料噴射完了時期θＥおよび機関回転数Ｎから燃料噴射開始時期θＳが算出され、これら燃料噴射開始時期θＳおよび燃料噴射完了時期θＥに基づいて燃料噴射弁１０からの燃料噴射作用が行われる。
【００５５】
【発明の効果】
すすおよびＮＯX の発生量をほぼ零にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】内燃機関の側面断面図である。
【図３】図２のシリンダヘッドの底面図である。
【図４】燃料噴射弁の側面断面図である。
【図５】燃料噴射弁の先端部の拡大側面断面図である。
【図６】別の実施例を示すシリンダヘッドの底面図である。
【図７】本発明による燃焼方法を説明するための図である。
【図８】ピストンの圧縮作用のみによる燃焼室内の圧力変化を示す図である。
【図９】沸点と燃料粒子の温度変化とを示す図である。
【図１０】燃料粒子の分布を示す図である。
【図１１】燃料粒子の分布を示す図である。
【図１２】燃焼室内の温度を示す図である。
【図１３】燃料噴射完了時期および燃料噴射量を示す図である。
【図１４】燃料噴射を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
５…燃焼室
１０…燃料噴射弁
１１…吸気マニホルド
【図１】
0003743099.tif 000003
【図２】
0003743099.tif 000004
【図３】
0003743099.tif 000005
【図４】
0003743099.tif 000006
【図５】
0003743099.tif 000007
【図６】
0003743099.tif 000008
【図７】
0003743099.tif 000009
【図８】
0003743099.tif 000010
【図９】
0003743099.tif 000011
【図１０】
0003743099.tif 000012
【図１１】
0003743099.tif 000013
【図１２】
0003743099.tif 000014
【図１３】
0003743099.tif 000015
【図１４】
0003743099.tif 000016