JP3642011B2

JP3642011B2 - 圧縮自己着火式内燃機関

Info

Publication number: JP3642011B2
Application number: JP2000219548A
Authority: JP
Inventors: 明宏榊田; 賢明久保; 泰之伊藤; 明裕飯山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: EP1174604A2; DE60132137D1; JP2002030935A; EP1174604A3; EP1174604B1; DE60132137T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、混合気をピストンの圧縮により自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般のガソリン内燃機関では、燃費削減のため混合気のリーン化には、点火プラグによる火花点火と火炎伝播による燃焼が不安定化することから、自ずと限界があり、また、リーン燃焼時には、排気浄化のための触媒が、いわゆる量論比での燃焼時ほど浄化作用、特にＮＯｘの還元作用を発揮できないという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するものとして、ピストンの圧縮作用により自己着火燃焼させることにより、リーン燃焼と低エミッションを図った高圧縮比の圧縮自己着火式内燃機関が知られている（例えば特開平７−３３２１４１号公報参照）。
【０００４】
このような圧縮自己着火式内燃機関では、供給する燃料量の違い、つまり空燃比の違いが着火時期に影響するために、最適な着火時期が得られる空燃比の範囲が狭く、それ以外では過早着火や失火を招く。このような過早着火や失火を防ぐべく、着火時期を制御するようにした従来の圧縮自己着火式内燃機関としては、例えば特開平１０−１９６４２４号公報に記載されたものがある。
【０００５】
これは、燃焼室上部に設けたコントロールピストンにより、燃焼室内のピストンの上死点付近において燃焼室内の圧縮された混合気を、さらに付加的に圧縮して混合気温度を過渡的に上昇させることで、混合気を自己着火させるものである。混合気温度を過渡的に上昇させる方法としては、コントロールピストンによる加圧のほか、液体の着火油を混合気中に噴射して燃焼させる方法などがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のコントロールピストンの加圧により混合気を温度上昇させる場合には、コントロールピストンを高速に作動させる必要があり、そのための駆動装置が大型化しコスト上昇を招くという問題がある。
【０００７】
また、液体の着火油を供給する場合には、上記した問題が解消されるものの、着火油が気化するときの気化潜熱により混合気温度が低下し、自己着火に至らず、このため着火時期を制御できる範囲が狭くなるという問題ある。
【０００８】
そこで、この発明は、大型化する駆動装置を必要とすることなく、自己着火時期を容易に制御できるようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、混合気をピストンの圧縮により自己着火燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、少なくとも一部が気化した燃料と、空気または混合気との混合体を、燃焼室に噴射供給する混合体噴射インジェクタを設け、自己着火に至らない混合気濃度を有する高温の混合気場を燃焼室内に形成するとともに、前記混合体噴射インジェクタから、前記混合気場より高い混合気濃度を有する混合体を、前記混合気場が形成された燃焼室に噴射供給することで燃焼室内の燃料を自己着火燃焼させる構成としてある。
【００１０】
このような構成の圧縮自己着火式内燃機関によれば、混合体噴射インジェクタから燃焼室内の混合気場に供給する混合体に含まれる燃料は、少なくとも一部が気化していることから、燃料の気化潜熱による温度低下が抑制されて混合気の自己着火が容易となる。また、混合体を燃焼室に供給する構成であることから、大型化するような駆動装置が不要である。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、前記混合体噴射インジェクタに、燃焼室からの空気または混合気と、燃料噴射インジェクタからの燃料とをそれぞれ導入する構成としてある。
【００１２】
上記構成によれば、混合体噴射インジェクタに、燃焼室から空気または混合気が導入されるとともに、燃料噴射インジェクタから燃料が導入されることで、混合体が形成され、この混合体が燃焼室の混合気場に供給される。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、混合体噴射インジェクタに、燃焼室からの空気または混合気を導入する時期は、圧縮行程の後半期間としてある。
【００１４】
上記構成によれば、圧縮行程後半時期に、燃焼室内の高温・高圧の空気または混合気が混合気噴射インジェクタに導入され、この混合気とともに混合気噴射インジェクタに導入される燃料の気化が促進される。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明の構成において、混合体は、増圧された後、次サイクルの吸気行程または圧縮行程に燃焼室に供給される構成としてある。
【００１６】
上記構成によれば、混合体は、次サイクルの吸気行程または圧縮行程までの間に増圧されることで高温・高圧となり、混合体に含まれる燃料の気化が促進される。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明の構成において、混合気場が、運転条件に応じてあらかじめ設定された混合気濃度となるよう第１回目の混合体の供給を行い、続く第２回目の混合体の供給を、目標とする機関負荷が満足するよう行う構成としてある。
【００１８】
上記構成によれば、例えば、混合気場が異常燃焼を防止できる混合気濃度となるように、混合体の供給量の設定を第１回目に行い、続く第２回目の供給時には、目標負荷が満足するよう供給量を設定する。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃焼室内の自己着火に至らない混合気濃度を有する高温の混合気場に、この混合気場より高い混合気濃度でかつ、少なくとも一部が気化した燃料と、空気または混合気との混合体を、供給するようにしたため、大型化する駆動装置が不要になってコスト上昇を抑えることができるとともに、燃料の気化潜熱が抑制されて混合気の温度低下を防止でき、自己着火が容易となり、着火時期制御を容易に行うことができる。
【００２２】
請求項２の発明によれば、混合体噴射インジェクタに、燃焼室からの空気または混合気と、燃料噴射インジェクタからの燃料とをそれぞれ導入するようにしたので、混合体噴射インジェクタには、空気または混合気と、一部が気化した燃料との混合体が形成され、この混合体噴射インジェクタによって、混合体を燃焼室の混合気場に供給することができる。
【００２３】
請求項３の発明によれば、混合体噴射インジェクタに、燃焼室からの空気または混合気を導入する時期は、圧縮行程の後半期間であるため、空気または混合気が高温・高圧となり、燃料の気化を促進させることができる。
【００２４】
請求項４の発明によれば、混合体は、増圧された後、次サイクルの吸気行程または圧縮行程に燃焼室に供給されるようにしたため、混合体は増圧により高温・高圧となって燃料の気化が促進されるとともに、次サイクルの混合体噴射時までの間が燃料の気化時間となり、さらに気化促進を図ることができる。
【００２５】
請求項５の発明によれば、混合気場が、運転条件に応じてあらかじめ設定された混合気濃度となるよう第１回目の混合体の供給を行い、続く第２回目の混合体の供給を、目標負荷が満足するよう行うようにしたため、例えば、混合気場が異常燃焼を防止できる混合気濃度となるように、混合体の供給量の設定を第１回目に行うようにすることで、異常燃焼を防止でき、自己着火運転領域を拡大することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２８】
図１は、この発明の実施の一形態を示す圧縮自己着火式内燃機関の全体のシステム構成図で、シリンダ１内にピストン３が上下動可能に収容され、燃焼室５に連通する吸気通路７および排気通路９には、吸気バルブ１１およびび排気バルブ１３がそれぞれ設けられている。
【００２９】
燃焼室５の上部中央には、燃焼室５から導入される空気または混合気と、燃料噴射インジェクタ１５から噴射される燃料との混合体を、燃焼室５に供給する燃料供給装置としての混合体噴射インジェクタ１７が設けられている。燃料噴射インジェクタ１５には、燃料タンク１９から燃料ポンプ２１によりプレッシャレギュレータ２３を介して燃料が供給される。
【００３０】
上記した混合体噴射インジェクタ１７は、燃焼室５内の高温であるが自己着火に至らない混合気濃度を有する混合気場に、この混合気場より高い混合気濃度でかつ、少なくとも燃料の一部が気化している上記混合体を供給するものである。
【００３１】
燃料噴射インジェクタ１５および混合体噴射インジェクタ１７は、マイクロコンピュータなどで構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）２７によって燃料および混合体の噴射量と噴射時期が制御される。この電子制御ユニット２７には、機関の吸入負圧Ｂint、吸入空気温度Ｔint、機関回転数Ｎe、機関油水温Ｔwおよびスロットル開度（要求負荷）Ｔvoが、それぞれ対応するセンサなどで検知された後、入力される。
【００３２】
図２（ａ），（ｂ）は、燃料噴射インジェクタ１５による混合体噴射インジェクタ１７への燃料導入方法を示す。図２（ａ）は、混合体噴射インジェクタ１７に燃料噴射インジェクタ１５の先端を直接取り付けて両者を一体化したもので、燃料噴射インジェクタ１５内に形成されている混合体室２９に、燃料噴射インジェクタ１５から燃料を直接噴射する。図２（ｂ）は、燃料噴射インジェクタ１５と混合体室２９とを燃料通路３１により接続し、燃料通路３１の混合体室２９への接続部に、混合体室２９から燃料通路３１への燃料の逆流を防止するチェック弁３３を設けたものである。上記図２（ｂ）の例では、燃料噴射インジェクタ１５を混合体噴射インジェクタ１７と別体としてあるので、混合体噴射インジェクタ１７の設置スペースが狭いような場合に有効である。
【００３３】
図３は、混合体噴射インジェクタ１７の内部構造を示す断面図である。ボディ３５内には、混合体室２９内を増圧するための増圧ピストン３７が上下動可能に収容され、この増圧ピストン３７の上部には燃焼室５から空気または混合気が導入される空気室３９が、同下部には前記混合体室２９が形成されている。空気室３９と燃焼室５とは空気導入通路４１で接続され、空気導入通路４１にはチェック弁４３が設けられている。
【００３４】
チェック弁４３は、スプリング４５が球体４７を図中で左方向へ押し付けて閉弁状態を保持し、この閉弁状態から、あらかじめ設定された圧力以上で球体４７がスプリング４５の弾性力に打ち勝って図３中で右方向へ移動して開弁する。また、燃焼圧の上昇などにより、導入する空気または混合気の圧力がさらに上昇すると、球体４７がさらに右方向に移動して閉弁する構成となっている。このため、空気室３９に燃焼室５から空気または混合気を導入する時期は、圧縮行程の後半期間に設定可能である。
【００３５】
空気室３９と混合体室２９とは連絡通路４９により接続し、この連絡通路４９には、混合体室２９から空気室３９への混合体の逆方向を阻止するチェック弁５１が設けられている。
【００３６】
混合体室２９は噴口５３を介して燃焼室５に連通可能であり、この噴口５３を噴射弁５５により開放遮断する。噴射弁５５は、弁軸５７を介して上端にアーマチャ５９が形成され、アーマチャ５９と噴口５３周囲のボディ３５内との間には、噴射弁５５を上方に押し付けて噴口５３を閉じるスプリング６１が介装されている。
【００３７】
混合体室２９付近のボディ３５内には、アーマチャ５９の周囲を覆うようにソレノイド６３が設けられ、このソレノイド６３への前記電子制御ユニット２７からの通電制御によって、噴射弁５５が開閉制御される。
【００３８】
増圧ピストン３７の上部には、フランジ６５を介してロッド６７が一体化し、さらにその上部には、スプリングリテーナ６９が一体化している。スプリングリテーナ６９とボディ３５の内部に形成したロッドガイド７１との間にはピストン３５を上方に押し付けるスプリング７３が介装されている。
【００３９】
ロッドガイド７１のロッド挿入孔７１ａとロッド６７との間は、図示していないが、適宜シール材を介装するなどして密封する。増圧ピストン３７とボディ３５との間も同様にして密封する。
【００４０】
スプリングリテーナ６９の上部にはタペット７５が被せられ、このタペット７５の上部には、増圧ピストン３７を駆動するためのカム７７が回転可能に設けられている。
【００４１】
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記した混合体噴射インジェクタ１７の動作を示している。図４（ａ）は、空気室３９に燃焼室５から空気または混合気を導入すると同時に、ピストン３５が下降して混合体室２９を増圧している状態である。このとき噴射弁５５は閉弁しており、チェック弁４３は開、チェック弁５１は閉である。
【００４２】
図４（ｂ）は、噴射弁５５が開弁し、増圧された混合体室２９内の混合体が燃焼室５に向けて噴射されている状態である。このときチェック弁４３は閉、チェック弁５１も閉である。
【００４３】
図４（ｃ）は、図４（ａ）で導入された空気室３９内の空気または混合気が、増圧ピストン３５の上昇により、連絡通路４９を通して混合体室２９に移動する状態である。このとき噴射弁５５は閉弁しており、チェック弁４３は閉、チェック弁５１は開である。混合体室２９への空気または混合気の移動とともに、燃料噴射インジェクタ１５から燃料が混合体室２９に導入される。
【００４４】
図５は、機関サイクルに対する混合体噴射インジェクタ１７の動作タイミングを示している。混合体噴射動作としては、混合体を、機関の１サイクルに１回全量噴射する場合（ａ）と、２回に分けて噴射する場合（ｂ）とを示している。（ａ），（ｂ）ともに、空気室３９への空気または混合気の導入タイミングを上段に、混合体室２９における空気または混合気および燃料の導入や混合体の噴射などのタイミングを下段に示してある。
【００４５】
１回噴射および２回噴射のいずれの場合も、空気室３９への空気または混合気の導入は、機関サイクルの圧縮行程後半時期としてあり、これにより、空気室３９には高温・高圧の空気または混合気が導入される。燃焼室５内の空気または混合気が、圧縮行程後半時期に外部（空気室３９）へ放出されるので、圧縮行程後半時期での燃焼室５内の圧力が下がることになり、燃焼室５内の混合気への早期着火を防止することができる。
【００４６】
そして、機関サイクルの圧縮行程に並行して増圧ピストン３７の下降による混合体室２９の増圧が行われた後、混合体室２９内の混合体が、燃焼室５内に噴射される。
【００４７】
混合体噴射後、増圧ピストン３７の上昇により、空気室３９の高温・高圧の空気または混合気が、連絡通路４９を通って混合体室２９に移動し、これと同時に、燃料噴射インジェクタ１５から燃料が混合体室２９に噴射供給される。混合体室２９に導入された燃料は、空気室３９から移動した高温・高圧の空気または混合気によって、気化が促進され、空気または混合気と混合して混合体となる。この混合体が、増圧されて次のサイクルにて燃焼室５に、１回または２回に分けて噴射される。増圧された混合体が次サイクルに燃焼室５に噴射供給されるので、噴射までの時間が燃料の気化時間となり、気化時間が長くとれて燃料の気化促進に有効である。
【００４８】
なお、圧縮行程後半以外の時期に、空気または混合気を空気室３９に導入する場合には、そのままでは空気または混合気の温度・圧力が低く、燃料を気化させるには不充分となるので、空気または混合気を加圧・加温する必要がある。
【００４９】
図６は、燃焼室５内の高温であるが自己着火に至らない混合気濃度を有する混合気場Ａに、この混合気場Ａより高い混合気濃度でかつ、少なくとも燃料の一部が気化した混合体Ｂを供給した場合の概念図である。なお、上記した混合気場Ａは、燃焼室５内に燃料を供給する図示しないインジェクタによって形成されている。
【００５０】
燃料の少なくとも一部が気化した上記混合体Ｂを混合気場Ａに供給することで、燃料の気化潜熱による混合気の温度低下が抑制されつつ、混合気濃度を高めることができる。これにより、混合気場Ａは、自己着火が開始される条件Ｐになり、上記混合体の噴射時期を適宜制御することで、自己着火時期を制御することが容易となる。
【００５１】
一方、従来のように液体の着火油Ｃを燃焼室５に供給した場合には、条件Ｑで示すように、混合気濃度は上記条件Ｐとほぼ同等になるものの、着火油Ｃの気化潜熱の影響で混合気の温度が高くならず、自己着火に至ることがない。
【００５２】
このような自己着火時期を制御可能とする上記圧縮自己着火式内燃機関では、空気または混合気と、一部が気化した燃料との混合体を、混合体噴射インジェクタ１７によって燃焼室５に噴射する構成であるので、従来のようにコントロールピストンを高速駆動するための大型化する駆動装置が不要であり、コスト上昇が回避されている。
【００５３】
次に、前記図５（ｂ）の混合体を２回に分けて噴射する例について、図７のフローチャートに基づき電子制御ユニット２７の制御動作を説明する。まず、吸入負圧Ｂint、吸入空気温度Ｔint、機関油水温Ｔw、機関回転数Ｎe、要求負荷（スロットル開度）Ｔvoを、適宜対応するセンサなどにより検知して、その検知信号の入力を受ける（ステップＳ１）。
【００５４】
入力を受けた吸入負圧Ｂint、吸入空気温度Ｔint、機関油水温Ｔwに基づいて、燃焼室５内の下死点圧力Ｐ1および同下死点温度Ｔ1を、電子制御ユニット２７に内蔵されるメモリにあらかじめ格納してあるマップから読み取る（ステップＳ３）。読み取った下死点圧力Ｐ1および下死点温度Ｔ1から、任意のクランク角度毎の燃焼室内圧力Ｐおよび同温度Ｔをそれぞれ計算する（ステップＳ５）。
【００５５】
任意のクランク角度毎の燃焼室内圧力Ｐおよび温度Ｔは、次式によって求めることができる。
【００５６】
Ｐ＝Ｐ1×（ε）^κ
Ｔ＝Ｔ1×（ε）^{（κ−１）}
ε：圧縮比
κ：比熱比
次に、機関回転数Ｎeと上記求めた温度Ｔとから、異常燃焼を起こす混合気場の濃度Ｋを、あらかじめ前記メモリに格納してあるマップから読み取る（ステップＳ７）。この混合気濃度Ｋは、燃焼室５内温度Ｔが低いほど、また機関回転数Ｎeが高いほど高くなる傾向にある。
【００５７】
そして、要求負荷から決定される燃料量となるよう１回で混合体として全量噴射した後の混合気場Ａの濃度が、異常燃焼を起こす混合気場の上記濃度Ｋより、高濃度であるかどうかを判断する（ステップＳ９）。高濃度の場合には、これをそのまま全量噴射すると、早期着火などの異常燃焼を引き起こすので、１回目の噴射量を、混合気場Ａの濃度が上記濃度Ｋ以下となるよう噴射量を制御する（ステップＳ１１）。これにより異常燃焼が防止される。この後、目標負荷を達成するため、残りの燃料（混合体）を、あらかじめ設定された時期に２回目として噴射する（ステップ１３）。この２回目の混合体の噴射時期が、燃焼開始の時期となり、着火時期を制御することになる。上記した噴射量制御は、ソレノイド６３への通電時間によって容易にできる。
【００５８】
一方、前記ステップＳ９で、要求負荷から決定される燃料量となるよう１回で混合体として全量噴射した後の混合気場Ａの濃度が濃度Ｋ以下となる場合には、あらかじめ設定された噴射時期に、混合体を燃焼室５に全量噴射する（ステップ１５）。
【００５９】
このように、燃焼室内温度、機関回転数、要求負荷などの運転条件に応じて１回目の噴射量および噴射回数を決定することで、異常燃焼を防止でき、低負荷から高負荷に至る広範囲の運転領域で燃焼開始時期を制御でき、圧縮自己着火運転領域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示す圧縮自己着火式内燃機関の全体のシステム構成図である。
【図２】燃料噴射インジェクタによる混合体噴射インジェクタへの燃料導入方法を示す説明図で、（ａ）は両インジェクタ相互を一体化したもの、（ｂ）は両インジェクタ相互を燃料通路により接続したものである。
【図３】混合体噴射インジェクタの内部構造を示す断面図である。
【図４】混合体噴射インジェクタの動作説明図で、（ａ）は空気室に燃焼室から空気または混合気を導入すると同時に混合体室を増圧している状態、（ｂ）は混合体室内の混合体が燃焼室に向けて噴射されている状態、（ｃ）は空気室内の空気または混合気が連絡通路を通して混合体室に移動する状態である。
【図５】機関サイクルに対する混合体噴射インジェクタの動作タイミング図である。
【図６】燃焼室の混合気場に混合体を供給して自己着火させる概念図である。
【図７】電子制御ユニットの制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ピストン
５燃焼室
１５燃料噴射インジェクタ
１７混合体噴射インジェクタ（燃料供給装置）
Ａ混合気場
Ｂ混合体

Claims

混合気をピストンの圧縮により自己着火燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、少なくとも一部が気化した燃料と、空気または混合気との混合体を、燃焼室に噴射供給する混合体噴射インジェクタを設け、自己着火に至らない混合気濃度を有する高温の混合気場を燃焼室内に形成するとともに、前記混合体噴射インジェクタから、前記混合気場より高い混合気濃度を有する混合体を、前記混合気場が形成された燃焼室に噴射供給することで燃焼室内の燃料を自己着火燃焼させることを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関。
前記混合体噴射インジェクタに、燃焼室からの空気または混合気と、燃料噴射インジェクタからの燃料とをそれぞれ導入することを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式内燃機関。
混合体噴射インジェクタに、燃焼室からの空気または混合気を導入する時期は、圧縮行程の後半期間であることを特徴とする請求項２記載の圧縮自己着火式内燃機関。
混合体は、増圧された後、次サイクルの吸気行程または圧縮行程に燃焼室に供給されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
混合気場が、運転条件に応じてあらかじめ設定された混合気濃度となるよう第１回目の混合体の供給を行い、続く第２回目の混合体の供給を、目標とする機関負荷が満足するよう行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。