内燃機関、内燃機関システムおよび内燃機関の制御方法
【課題】灯油を燃料油として排ガス性状の悪化を防止しつつ燃費向上および騒音低減を改善できるディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。燃料油の噴射時期を噴霧燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°まで、好ましくは上死点前４０°から上死点前２５°までとする。シリンダー筒内の熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までとする。
【解決手段】燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。燃料油の噴射時期を噴霧燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°まで、好ましくは上死点前４０°から上死点前２５°までとする。シリンダー筒内の熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、灯油を燃料油として用いる内燃機関、内燃機関システムおよび内燃機関の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
灯油ヒートポンプは、住宅地域に設置されるので燃料消費率（燃費）向上や騒音低減を図る必要がある。
しかしながら、現状の灯油ヒートポンプは燃料油の一段噴射が行われているために、灯油中の軽質分の急激な燃焼により圧力上昇の増加、引いては騒音の増加になる。
この燃焼を改善し、圧力上昇を抑制して騒音の抑制を図る必要がある。
【０００３】
一方、ディーゼルエンジンは、燃焼効率が良く、自動車、船舶、建設機械、発電機などに搭載され、広く社会に普及している。
しかしながら、ディーゼルエンジンの排出ガス中には、窒素酸化物（ＮＯx）、粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）、全炭化水素（Total Hydro Carbon：ＴＨＣ）などの環境汚染物質が多く含まれている。
そこで、環境汚染物質の低減を目的として、各種対策が講じられている（例えば、特許文献１ないし特許文献３参照）。
【０００４】
特許文献１に記載のものは、特にセタン価もしくはセタン指数が４５以下で、特に９０容量％留出温度が２７０℃〜３６０℃のディーゼルエンジン用燃料油を用いて、多段噴射機構付ディーゼルエンジンのパイロット噴射量比を３０％以下にすると、燃費や排ガスが浄化されることが示されている。
しかしながら、この特許文献１では灯油などの軽質燃料油に対応した最適な運転方法が示されていない。
【０００５】
特許文献２に記載のものは、燃焼室の中央に円柱状もしくは円錐上の突起がある燃焼室を設けて主燃料油を噴霧させずに突起先端に当てて、環状溝に燃料油を拡散させることを目的としている。このパイロット噴射の目的は、燃焼室の突起物に燃料油を噴霧させ、液分散による主噴射の着火遅れにより低騒音・低ＮＯxを実現することとしている。
しかしながら、この特許文献２では実施例が記載されていないので不明であるが、通常は燃料油が燃焼壁に接すると燃焼温度が低下し燃焼不良が生じると言われている。
【０００６】
特許文献３に記載のものは、パイロット噴射時期を上死点前８０°（８０°BTDC）から上死点後４０°（４０°ATDC）が望ましいとしている。従来のパイロット噴射時期が上死点前１０°（１０°BTDC）から上死点後（１０°ATDC）で行われているが、この方法ではメイン噴射の着火が抑制され、急激な筒内圧力上昇が抑えられ、振動騒音が抑制される。しかしながら、この方法ではパイロット噴射による燃焼が生じている時期にメイン噴射を行うので酸素不足によりスモークの増加を招くという欠点がある。そこで、特許文献３では、好ましい噴射条件を提案している。
しかしながら、単一噴射ノズルで、請求範囲の噴射時期範囲で燃料油を噴射するとシリンダー内壁に燃料油が当たり、スカッフィングやラッカリングの原因となる。
また、二つの噴射ノズルを用いて、パイロット噴射とメイン噴射とを区別して行えば可能であるが、機器が複雑となる欠点を有している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２９００４１号公報
【特許文献２】特開平１０−２５２４７６号公報
【特許文献３】特開２００４−１７６５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来の特許文献１ないし特許文献３に記載のような方法では、軽質燃料油である灯油を用いる場合、排ガス性状を悪化させずに燃費向上と騒音低減とが十分に改善されていないのが現状である。
【０００９】
本発明は、このような状況を考慮して、灯油を燃料油として排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる内燃機関、内燃機関システムおよび内燃機関の制御方法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】
【００１０】
本発明に記載の内燃機関は、灯油を燃料油として用いる内燃機関であって、メイン噴射前に多段の燃料油噴射を行う直噴式であり、前記燃料油噴射は、１つの多噴口噴射ノズルを用いて多段噴射をするコモンレール方式を有したことを特徴とする。
この発明では、灯油を燃料油としてメイン噴射前に多段の燃料油噴射を行う直噴式で、燃料油噴射として、コモンレール方式で１つの多噴口噴射ノズルを用いて多段噴射をする。
このことにより、軽質燃料油である灯油を内燃機関の燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減を図ることができる。
【００１１】
そして、本発明では、請求項１に記載の内燃機関であって、前記多噴口噴射ノズルが４つ以上の噴口を有すディーゼルエンジンである構成とすることが好ましい。
この発明では、多噴口噴射ノズルとして、４つ以上、好ましくは６つ以上１３個以下の噴口を有するディーゼルエンジンに適用する。
このことにより、ディーゼルエンジンとしての燃焼効率が良く広く社会に普及して製造技術の転用が容易である有益な点を維持して、排ガス性状の悪化を防止しつつ燃費向上および騒音低減の改善が得られる。
ここで、噴口が４つより少なくなると噴口数が少なく均一噴霧が得られにくくなるおそれがある。なお、噴口が１３個より多くなると構成の煩雑化によりコストが増大するおそれがある。このため、多噴口噴射ノズルとして、４つ以上、好ましくは６つ以上１３個以下の噴口を有するディーゼルエンジンに適用することが好ましい。
【００１２】
また、本発明では、請求項１または請求項２に記載の内燃機関であって、パイロット噴射機構を備え、前記燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比は５％以上２５％以下であり、前記燃料油の噴射時期は噴霧される前記燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までに設定された構成とすることが好ましい。
この発明では、パイロット噴射機構における燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下とし、燃料油の噴射時期を噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までとしている。
このことにより、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
ここで、燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比が５％より少なくなると、パイロット噴射の効果が低減し、メイン一段噴射の効果のみという不都合が生じるおそれがある。一方、パイロット噴射量比が２５％より多くなると、高負荷運転時に予混合気の急激な燃焼が生じ、騒音が大きくなるという不都合が生じるおそれがある。このため、パイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。
また、燃料油の噴射時期が噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点より進角化、すなわち早期化、すなわち燃料油がディーゼルエンジンの燃焼室からはみ出る程に過早噴射を行うと、燃料油がシリンダー筒内壁に当たり、スカッフィングやラッカリングが発生してシリンダーを損傷させるおそれがある。一方、燃料油の噴霧時期が上死点前２０°より遅角化、すなわち遅くなると、パイロット噴射による予混合化が十分に行われないおそれがある。このため、燃料油の噴霧時期を、噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までとすることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明では、請求項３に記載の内燃機関であって、前記燃料油の噴射時期は、上死点前４０°から上死点前２５°までに設定された構成とすることが好ましい。
この発明では、燃料油の噴射時期を、上死点前４０°から上死点前２５°までとしている。
このことにより、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
ここで、燃料油の噴射時期が上死点前４０°より進角化、すなわち早期化すると、燃料油がシリンダー筒内壁に当たり、スカッフィングやラッカリングが発生してシリンダーを損傷させるおそれがある。一方、燃料油の噴霧時期が上死点前２５°より遅角化すると、パイロット噴射による予混合化が十分に行われないおそれがある。このため、燃料油の噴射時期を、上死点前４０°から上死点前２５°までとすることが好ましい。
【００１４】
そしてさらに、本発明では、請求項３または請求項４に記載の内燃機関であって、シリンダー筒内の熱発生率から得られた前記燃料油の５％が燃焼する時点が、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までの範囲に設定された構成とすることが好ましい。
この発明では、シリンダー筒内の熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までの範囲としている。
このことにより、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
ここで、熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点がクランク角で上死点前５°より進角化、また上死点後５°より遅角化すると、燃料消費率が悪化するおそれがある。このため、熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までとすることが好ましい。
【００１５】
また、本発明では、請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の内燃機関であって、前記パイロット噴射機構は、前記パイロット噴射量比が以下の式(1)にて算出される条件に設定された構成とすることが好ましい。
パイロット噴射量比
＝(パイロット噴射の噴口開口時間)／
((パイロット噴射とメイン噴射との全噴口開口時間)×100)……(1)
この発明では、上記式(1)で算出される条件にパイロット噴射量比を設定する。
このことにより、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
【００１６】
そして、本発明では、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の内燃機関であって、前記灯油は、ＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠するものである構成とすることが好ましい。
この発明では、ＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠する灯油を燃料油として用いる。
このことにより、軽質燃料油である灯油でも、上記構成により、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
【００１７】
本発明に記載の内燃機関システムは、請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の内燃機関と、前記内燃機関の出力軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記出力軸の回転負荷を検出する回転負荷検出手段と、前記内燃機関のメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射時期に関する噴射時期データとメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射量に関する噴射量データとを１つの制御データとして関連付けて複数記憶する記憶手段と、前記出力軸の回転速度および回転負荷に応じて前記噴射時期および噴射量を設定する制御手段と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、記憶手段に、請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の内燃機関のメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射時期に関する噴射時期データとメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射量に関する噴射量データとを１つの制御データとして関連付けて複数記憶しておく。回転速度検出手段にて内燃機関の出力軸の回転速度を検出し、回転負荷検出手段にて内燃機関の出力軸の回転負荷を検出する。そして、制御手段により、記憶手段に記憶された制御データに基づいて、検出した回転速度および回転負荷に応じて内燃機関の噴射時期および噴射量を設定し、内燃機関の動作制御をする。
このことにより、軽質燃料油である灯油でも、排ガス性状の悪化を防止して、内燃機関の運転状態に応じてより効率的な燃費向上および騒音低減が得られる。
【００１８】
本発明に記載の内燃機関の制御方法は、灯油を燃料油として用い一つの多噴口噴射ノズルにより多段噴射するコモンレール方式を有する内燃機関の制御方法であって、前記燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比が５％以上２５％で、前記燃料油の噴射時期は噴霧される前記燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までであることを特徴とする。
この発明では、燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比を５％以上２５％以下とし、燃料油の噴射時期を噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までとしている。
このため、軽質燃料油である灯油でも、排ガス性状の悪化を防止して、内燃機関の運転状態に応じてより効率的な燃費向上および騒音低減が得られる。
【００１９】
そして、本発明では、プログラマブル・ロジック・デバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）、プログラマブル・ロジック・アレイ（Programmable Logic Array：ＰＬＡ）および専用制御デバイスから選ばれる少なくともいずれか一つ以上の集積回路による制御により、前記燃料油を供給する構成とすることが好ましい。
このことにより、内燃機関内における燃料油組成物の供給を上述した方法により制御しているため、内燃機関への負荷が急に変動した場合であっても、内燃機関内の燃焼を常に最適な状態に保って運転することが可能となる。このため、燃料消費率がより向上するとともに、騒音、排出ガス中のＮＯxやＰＭなどが低減して環境への悪影響をより抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について詳述する。
なお、本実施形態において、灯油を燃料油として用いる内燃機関として、多段噴射機構を有するディーゼルエンジン、すなわちコモンレール方式の燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンのシステム構成を例示するが、この構成に限られない。また、本発明では、２段に限らず、複数段にも適用できる。
【００２１】
〔ディーゼルエンジンシステム〕
本実施形態における内燃機関システムとしてのディーゼルエンジンシステムは、例えば、灯油を用いたヒートポンプエアコン、発電機、自動車（スウェーデンの様な所謂シティ軽油を用いる場合）、建設機械などのオフロード車などに用いられるものである。
そして、ディーゼルエンジンシステムは、内燃機関としてのディーゼルエンジンと、燃料噴射システムを構成する制御手段としての運転制御ユニットと、を備えている。
【００２２】
ディーゼルエンジンは、多段噴射機構を有するもので、例えばパイロット噴射機構付きのエンジンである。このディーゼルエンジンは、燃料油として灯油を用いるものである。灯油は、例えばＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠するものが用いられる。なお、燃料油としては、灯油のみならず、本発明の目的および効果が妨げられない範囲において、必要に応じて各種の添加剤を適宜配合することができる。
また、ディーゼルエンジンには、燃料噴射システムを構成する、複数の燃料インジェクターと、コモンレールと、燃料ポンプと、が設けられている。
【００２３】
燃料インジェクターは、図示しないディーゼルエンジン本体のシリンダー筒に接続され、シリンダー筒内へ燃料を供給する。
コモンレールは、燃料ポンプに接続され、燃料ポンプから供給される燃料油を規定の圧力に保持する。そして、コモンレールは、複数の燃料インジェクターに接続され、規定の高い圧力の燃料油を燃料インジェクターへ供給する。
【００２４】
運転制御ユニットは、プログラマブル・ロジック・デバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）、プログラマブル・ロジック・アレイ（Programmable Logic Array：ＰＬＡ）および専用制御デバイスから選ばれる少なくともいずれか一つ以上の集積回路を備えている。
この運転制御ユニットは、ディーゼルエンジンへの燃料油の供給制御をする。
具体的には、燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下としている。すなわち、パイロット噴射量比は、以下の式(1)にて算出される条件に設定されている。
パイロット噴射量比
＝(パイロット噴射の噴口開口時間)／
((パイロット噴射とメイン噴射との全噴口開口時間)×100)……(1)
ここで、燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比が５％より少なくなると、パイロット噴射の効果が低減し、メイン一段噴射の効果のみという不都合が生じるおそれがある。一方、パイロット噴射量比が２５％より多くなると、高負荷運転時に予混合気の急激な燃焼が生じ、騒音が大きくなるという不都合が生じるおそれがある。このため、パイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。
【００２５】
また、運転制御ユニットは、燃料油の噴射時期を噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°まで、好ましくは上死点前４０°から上死点前２５°までとしている。
ここで、燃料油の噴射時期が噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点より進角化、すなわち燃料油がディーゼルエンジンのシリンダー内に区画される燃焼室からはみ出る程に過早噴射を行うと、燃料油がシリンダー筒内壁に当たり、スカッフィングやラッカリングが発生してシリンダーを損傷させるおそれがある。一方、燃料油の噴霧時期が上死点前２０°より遅角化、すなわち遅くなると、パイロット噴射による予混合化が十分に行われないおそれがある。このため、燃料油の噴霧時期を、噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°まで、好ましくは上死点前４０°から上死点前２５°までとする。
【００２６】
さらに、運転制御ユニットは、シリンダー筒内の熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までの範囲に設定している。
熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点がクランク角で上死点前５°より進角化、また上死点後５°より遅角化すると、燃料消費率が悪化するおそれがある。このため、熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までとすることが好ましい。
【００２７】
また、運転制御ユニットは、ディーゼルエンジンの運転状況、すなわちディーゼルエンジンの図示しない出力軸の回転速度および回転負荷に応じて燃料油の供給を制御する。
具体的には、運転制御ユニットは、ディーゼルエンジンの出力軸の回転速度を検出する回転速度検出手段としての例えば回転速度センサと、出力軸の回転負荷を検出する回転負荷検出手段としての例えば回転負荷センサとから、それぞれ出力される検出信号に基づいて、出力軸の回転速度および回転負荷を認識する。
また、運転制御ユニットは、ディーゼルエンジンのメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射時期に関する噴射時期データとメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射量に関する噴射量データとを１つの制御データとして関連付けて複数記憶するテーブル構造の図示しない記憶手段を備えている。
そして、運転制御ユニットは、記憶手段に記憶された複数の制御データに基づいて、検出信号から認識した出力軸の回転速度および回転負荷に応じて、噴射時期および噴射量を設定する。
【００２８】
〔ディーゼルエンジンの運転制御〕
次に、運転制御ユニットにおけるディーゼルエンジンの運転制御を実施するための、制御プログラムの設定動作について、図面を参照して説明する。
図１は、運転制御プログラムの設定動作を示すフローチャートである。
【００２９】
まず、燃料油を指定する（ステップＳ１）。すなわち、ＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠する灯油であるＪＩＳ１号灯油を設定する。
そして、噴射ノズルであるコモンレールの噴口からの噴射量を定める推算プログラムを作成する（ステップＳ２）。例えば、利用用途やディーゼルエンジンの特性などに応じて、噴射圧や噴射時間などに基づいて、噴射量を算出する演算プログラムを設定する。
【００３０】
この後、ディーゼルエンジンの運転方法のマップを作成する（ステップＳ３）。すなわち、運転制御内容を設定する対象のディーゼルエンジンの出力軸の回転速度と回転負荷とを適宜変更し、最適運転条件を設定する処理をする。
具体的には、ディーゼルエンジンの出力軸の回転速度と回転負荷とを、特定の運転状態に設定する（ステップＳ３１）。そして、一段噴射で好適なメイン噴射条件である噴射量および噴射時間を設定する（ステップＳ３２）。
この後、ステップＳ３２で設定された好適なメイン噴射条件に基づいて、好適なパイロット噴射条件を設定する（ステップＳ３３）。なお、このパイロット噴射条件の設定の際、メイン噴射量およびパイロット噴射量の実測値と推算値とが合致しない場合、噴射時間比で噴射量比を代替する。
そして、ステップＳ３３で設定された好適なパイロット噴射条件から、好適なメイン噴射条件近傍を探索する（ステップＳ３４）。
これらステップＳ３２〜Ｓ３４を繰り返すことで、特定の回転速度および回転負荷における最適のメイン噴射条件およびパイロット噴射条件が設定される（ステップＳ３５）。このように、回転速度および回転負荷を適宜設定して同様に最適のメイン噴射条件およびパイロット噴射条件を設定することで、ディーゼルエンジンの運転条件に応じた、最適な燃料油の噴射条件がマップ状に設定される。この設定されたマップを運転制御ユニットの記憶手段に記憶させる。
【００３１】
〔実施形態の作用効果〕
上記実施の形態によれば、上述したように、灯油を燃料油として、メイン噴射前に多段の燃料油噴射を行う直噴式で、燃料油噴射として、コモンレール方式で１つの多噴口噴射ノズルを用いて多段噴射をする構成としている。
このため、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減を図ることができる。
特に、多噴口噴射ノズルとして、４つ以上、好ましくは６つ以上１３個以下の噴口を有するディーゼルエンジンに適用することが好適である。
そして、上述した所定のパイロット噴射条件に設定することで、灯油を燃料油としても、確実に排ガス性状の悪化を防止しつつ燃費向上および騒音低減が得られる。
特に、プログラマブル・ロジック・デバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）、プログラマブル・ロジック・アレイ（Programmable Logic Array：ＰＬＡ）および専用制御デバイスから選ばれる少なくともいずれか一つ以上の集積回路を備えた運転制御ユニットを用い、燃料油の噴射条件を制御する構成としている。
【００３２】
〔実施の形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。
【実施例】
【００３３】
次に、実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明する。
なお、本発明は、これらの実施例などの記載内容に何ら制限されるものではない。
【００３４】
〔実施例１〜７、比較例１〜７〕
以下、灯油を燃料油に用いたディーゼルエンジン２００の燃料噴射条件を確認する実験について図面を参照して説明する。
【００３５】
（ディーゼルエンジン）
実験用のエンジンとして、コモンレール方式の多段噴射式機構を備えたＡＶＬ社単気筒エンジンを用いた。燃料油としては、ＪＩＳ１号灯油を用いた。
（エンジンの仕様）
シリンダ直径×ピストン工程：１０５ｍｍ×１１５ｍｍ
排気容積 ：９９６ｃｍ3
圧縮比 ：１８．６
最大燃料噴射圧力 ：１３５ＭＰａ
そして、このエンジンのコモンレール式燃料噴射装置の噴射ノズルは、孔径０．１２ｍｍの噴孔を６個設けている。また、燃料室は、図２に示すように、中央に略円錐状の突起２０１を有している。そして、図２は、上死点前４０°での噴射ノズルからの燃料噴射方向を合わせて示す。上死点前４０°までは、噴孔から噴霧される燃料油の中心線Ｌが燃焼室内に収まっていることを示す。
【００３６】
（実験）
シリンダー筒内圧を圧力センサ（AVL LIST GMBH社製 商品:QC33C）で計測し、燃焼圧解析を行った。
また、燃料油流量は、流量計（小野測器社製 商品名:DF-2410）で計測するとともに、重量秤（AND社製 商品名:GP-12KR）にて供給重量を確認した。
排ガスは、分析計（堀場製作所製 商品名:MEXA-9100DEGR）で計測した。
騒音は、騒音計（日本科学工業株式会社昭和６３年製造、普通騒音計型式承認第S-15-1号）で計測した。
【００３７】
そして、上述した実施形態におけるディーゼルエンジンの運転条件を設定する動作に従って、燃料油の噴射条件を設定した。なお、パイロット噴射量比は、噴射ノズルの時間割合から設定した。
ここで、電子制御を行う際には、上記の様な方法を用いてエンジンの回転速度と回転負荷とに応じて定めたパイロット噴射およびメイン噴射の噴射時期と、各々の噴射量を定めた表を組み込んだプログラムから、所望の回転速度と回転負荷に応じた好適な噴射時期や噴射量を内挿か外挿により定めて運転する。プログラム自体は、汎用品のＩＮＣＡソフトウェアを用いて制御した。
【００３８】
そして、運転条件として、以下の２つの条件とした。
運転条件１
・回転速度：１５００rpm
・噴射圧：６００bar
・IMEP（図示平均有効圧力）：８bar
運転条件２
・回転速度：２０００rpm
・噴射圧：６００bar
・IMEP（図示平均有効圧力）：６bar
【００３９】
（結果：運転条件１）
運転条件１による結果を表１および表２に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
なお、表１および表２において、燃料消費率比は、比較例１の燃料消費率を基準に、以下の式(2)にて定義した。
燃焼消費率比
＝(実験で得られた燃料消費率−比較例１で得られた燃料消費率)×100
／(比較例１で得られた燃料消費率)……(2)
このように、燃料消費率比が小さい程、燃料消費が小さく、好ましい状態である。
また、換算ＮＯx濃度は、排ガス中の酸素が１３％になるように補正して得たＮＯx濃度である。
【００４３】
さらに、改善効果を明確にする為に、比較例１の評価項目を基準に以下の式で改善率を示す。なお、パイロット噴射時期と改善率との関係を図３に示す。
改善率
＝(実験で得られた評価項目値−比較例１で得られた評価項目値)×100
／(比較例１で得られた評価項目値)……(3)
【００４４】
そして、表１に示すように、比較例１に対して、比較例２，３は各々メイン噴射時期を早期化と遅延した場合である。試験結果から、比較例１が最も図示燃焼消費率が小さく、ＮＯx、騒音も低い。
そこで、このメイン噴射時期を基準に、パイロット噴射量比を２０％とし、パイロット噴射時期を−３６°ATDC〜−２０°ATDC（上死点前−３６°から−２０°）まで変えた結果を実施例１〜３に示す（表１参照）。
その結果、概ね比較例１よりも換算ＮＯx濃度以外は改善の方向にある。特に、図３に示すように、パイロット噴射時期が−３６°ATDC〜−２９°ATDCの範囲で改善効果が見られた。
【００４５】
また、パイロット噴射時期を−３０°ATDCとして、パイロット噴射量比を５〜３０％で変化させた結果を、実施例２と４〜６に示す。
その結果、概ね、比較例１よりも改善効果が見られるが、特にパイロット噴射量比が５〜１６％の範囲では、何れの評価項目も比較例１よりも改善されていることが見出された。
なお、パイロット噴射量比と改善率との関係を図４に示す。
【００４６】
そして、回転速度１５００rpmにおける熱発生率とクランク角との関係を図５に示す。
この図５に示すように、比較例１は一段噴射で、軽質分の予混合燃焼により急激な圧力上昇が生じている。
一方、実施例５は、パイロット噴射量が少ないために、燃料濃度が希薄で着火遅れ時間が長くなり、急激な熱発生が抑制されている。そのため、表２にも示すように、最大圧力上昇率や騒音が抑制されていることがわかる。
なお、比較例４では、パイロット噴射量が多いために着火遅れ時間が短く予混合化による希薄燃焼にならずに急激な熱発生率を生じている。そのため、表２にも示すように、最大圧力上昇率や騒音が大きくなっている。さらに、比較例４では、燃料消費率および換算ＮＯx濃度が、実施例４，５に比して高くなっている。これらように、パイロット噴射量比とともに、熱発生率を計測した場合には、少なくともパイロット噴射に伴う熱発生率ピーク値を、メイン噴射の熱発生率ピーク値よりも低く抑える必要があることがわかる。
【００４７】
（結果：運転条件２）
運転条件２による結果を表３に示す。また、回転速度２０００rpmにおける熱発生率とクランク角との関係を図６に示す。
【００４８】
【表３】
【００４９】
表３に示すように、回転速度２０００rpmの条件でも、一段噴射に比べて、パイロット噴射時期を−３０°ATDC、パイロット噴射量比を１０〜２０％にした条件では、燃費向上、排ガス浄化、騒音低減が見込まれる。
なお、実施例７において、燃焼で生じる最大筒内圧力上昇率は、比較例５よりも大きくなっているが、エンジン全体の騒音は低い状態であった。
さらに、エンジン筒内圧を計測している場合には、パイロット噴射による熱発生時期が上死点近傍にあることが、好適なパイロット運転条件になる。
【００５０】
そして、図５，６における好適条件である実施例５と実施例６とから、熱発生率から得られた燃料油が５％燃焼時点におけるクランク角は、各々−２．８９°ATDCと＋０．５４°ATDCであることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、灯油を用いたヒートポンプエアコン、発電機、自動車、建設機械などのオフロード車両など、灯油を燃料油に用いるいずれの内燃機関に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るディーゼルエンジンシステムにおける燃料噴射条件を設定する動作を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験におけるシリンダー筒内壁と燃料噴射方向との関係を示す説明図である。
【図３】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験におけるパイロット噴射時期と改善率との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験におけるパイロット噴射量比と改善率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験における回転速度１５００rpmにおける熱発生率とクランク角との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験における回転速度２０００rpmにおける熱発生率とクランク角との関係を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、灯油を燃料油として用いる内燃機関、内燃機関システムおよび内燃機関の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
灯油ヒートポンプは、住宅地域に設置されるので燃料消費率（燃費）向上や騒音低減を図る必要がある。
しかしながら、現状の灯油ヒートポンプは燃料油の一段噴射が行われているために、灯油中の軽質分の急激な燃焼により圧力上昇の増加、引いては騒音の増加になる。
この燃焼を改善し、圧力上昇を抑制して騒音の抑制を図る必要がある。
【０００３】
一方、ディーゼルエンジンは、燃焼効率が良く、自動車、船舶、建設機械、発電機などに搭載され、広く社会に普及している。
しかしながら、ディーゼルエンジンの排出ガス中には、窒素酸化物（ＮＯx）、粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）、全炭化水素（Total Hydro Carbon：ＴＨＣ）などの環境汚染物質が多く含まれている。
そこで、環境汚染物質の低減を目的として、各種対策が講じられている（例えば、特許文献１ないし特許文献３参照）。
【０００４】
特許文献１に記載のものは、特にセタン価もしくはセタン指数が４５以下で、特に９０容量％留出温度が２７０℃〜３６０℃のディーゼルエンジン用燃料油を用いて、多段噴射機構付ディーゼルエンジンのパイロット噴射量比を３０％以下にすると、燃費や排ガスが浄化されることが示されている。
しかしながら、この特許文献１では灯油などの軽質燃料油に対応した最適な運転方法が示されていない。
【０００５】
特許文献２に記載のものは、燃焼室の中央に円柱状もしくは円錐上の突起がある燃焼室を設けて主燃料油を噴霧させずに突起先端に当てて、環状溝に燃料油を拡散させることを目的としている。このパイロット噴射の目的は、燃焼室の突起物に燃料油を噴霧させ、液分散による主噴射の着火遅れにより低騒音・低ＮＯxを実現することとしている。
しかしながら、この特許文献２では実施例が記載されていないので不明であるが、通常は燃料油が燃焼壁に接すると燃焼温度が低下し燃焼不良が生じると言われている。
【０００６】
特許文献３に記載のものは、パイロット噴射時期を上死点前８０°（８０°BTDC）から上死点後４０°（４０°ATDC）が望ましいとしている。従来のパイロット噴射時期が上死点前１０°（１０°BTDC）から上死点後（１０°ATDC）で行われているが、この方法ではメイン噴射の着火が抑制され、急激な筒内圧力上昇が抑えられ、振動騒音が抑制される。しかしながら、この方法ではパイロット噴射による燃焼が生じている時期にメイン噴射を行うので酸素不足によりスモークの増加を招くという欠点がある。そこで、特許文献３では、好ましい噴射条件を提案している。
しかしながら、単一噴射ノズルで、請求範囲の噴射時期範囲で燃料油を噴射するとシリンダー内壁に燃料油が当たり、スカッフィングやラッカリングの原因となる。
また、二つの噴射ノズルを用いて、パイロット噴射とメイン噴射とを区別して行えば可能であるが、機器が複雑となる欠点を有している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２９００４１号公報
【特許文献２】特開平１０−２５２４７６号公報
【特許文献３】特開２００４−１７６５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来の特許文献１ないし特許文献３に記載のような方法では、軽質燃料油である灯油を用いる場合、排ガス性状を悪化させずに燃費向上と騒音低減とが十分に改善されていないのが現状である。
【０００９】
本発明は、このような状況を考慮して、灯油を燃料油として排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる内燃機関、内燃機関システムおよび内燃機関の制御方法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】
【００１０】
本発明に記載の内燃機関は、灯油を燃料油として用いる内燃機関であって、メイン噴射前に多段の燃料油噴射を行う直噴式であり、前記燃料油噴射は、１つの多噴口噴射ノズルを用いて多段噴射をするコモンレール方式を有したことを特徴とする。
この発明では、灯油を燃料油としてメイン噴射前に多段の燃料油噴射を行う直噴式で、燃料油噴射として、コモンレール方式で１つの多噴口噴射ノズルを用いて多段噴射をする。
このことにより、軽質燃料油である灯油を内燃機関の燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減を図ることができる。
【００１１】
そして、本発明では、請求項１に記載の内燃機関であって、前記多噴口噴射ノズルが４つ以上の噴口を有すディーゼルエンジンである構成とすることが好ましい。
この発明では、多噴口噴射ノズルとして、４つ以上、好ましくは６つ以上１３個以下の噴口を有するディーゼルエンジンに適用する。
このことにより、ディーゼルエンジンとしての燃焼効率が良く広く社会に普及して製造技術の転用が容易である有益な点を維持して、排ガス性状の悪化を防止しつつ燃費向上および騒音低減の改善が得られる。
ここで、噴口が４つより少なくなると噴口数が少なく均一噴霧が得られにくくなるおそれがある。なお、噴口が１３個より多くなると構成の煩雑化によりコストが増大するおそれがある。このため、多噴口噴射ノズルとして、４つ以上、好ましくは６つ以上１３個以下の噴口を有するディーゼルエンジンに適用することが好ましい。
【００１２】
また、本発明では、請求項１または請求項２に記載の内燃機関であって、パイロット噴射機構を備え、前記燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比は５％以上２５％以下であり、前記燃料油の噴射時期は噴霧される前記燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までに設定された構成とすることが好ましい。
この発明では、パイロット噴射機構における燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下とし、燃料油の噴射時期を噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までとしている。
このことにより、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
ここで、燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比が５％より少なくなると、パイロット噴射の効果が低減し、メイン一段噴射の効果のみという不都合が生じるおそれがある。一方、パイロット噴射量比が２５％より多くなると、高負荷運転時に予混合気の急激な燃焼が生じ、騒音が大きくなるという不都合が生じるおそれがある。このため、パイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。
また、燃料油の噴射時期が噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点より進角化、すなわち早期化、すなわち燃料油がディーゼルエンジンの燃焼室からはみ出る程に過早噴射を行うと、燃料油がシリンダー筒内壁に当たり、スカッフィングやラッカリングが発生してシリンダーを損傷させるおそれがある。一方、燃料油の噴霧時期が上死点前２０°より遅角化、すなわち遅くなると、パイロット噴射による予混合化が十分に行われないおそれがある。このため、燃料油の噴霧時期を、噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までとすることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明では、請求項３に記載の内燃機関であって、前記燃料油の噴射時期は、上死点前４０°から上死点前２５°までに設定された構成とすることが好ましい。
この発明では、燃料油の噴射時期を、上死点前４０°から上死点前２５°までとしている。
このことにより、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
ここで、燃料油の噴射時期が上死点前４０°より進角化、すなわち早期化すると、燃料油がシリンダー筒内壁に当たり、スカッフィングやラッカリングが発生してシリンダーを損傷させるおそれがある。一方、燃料油の噴霧時期が上死点前２５°より遅角化すると、パイロット噴射による予混合化が十分に行われないおそれがある。このため、燃料油の噴射時期を、上死点前４０°から上死点前２５°までとすることが好ましい。
【００１４】
そしてさらに、本発明では、請求項３または請求項４に記載の内燃機関であって、シリンダー筒内の熱発生率から得られた前記燃料油の５％が燃焼する時点が、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までの範囲に設定された構成とすることが好ましい。
この発明では、シリンダー筒内の熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までの範囲としている。
このことにより、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
ここで、熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点がクランク角で上死点前５°より進角化、また上死点後５°より遅角化すると、燃料消費率が悪化するおそれがある。このため、熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までとすることが好ましい。
【００１５】
また、本発明では、請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の内燃機関であって、前記パイロット噴射機構は、前記パイロット噴射量比が以下の式(1)にて算出される条件に設定された構成とすることが好ましい。
パイロット噴射量比
＝(パイロット噴射の噴口開口時間)／
((パイロット噴射とメイン噴射との全噴口開口時間)×100)……(1)
この発明では、上記式(1)で算出される条件にパイロット噴射量比を設定する。
このことにより、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
【００１６】
そして、本発明では、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の内燃機関であって、前記灯油は、ＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠するものである構成とすることが好ましい。
この発明では、ＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠する灯油を燃料油として用いる。
このことにより、軽質燃料油である灯油でも、上記構成により、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減が得られる。
【００１７】
本発明に記載の内燃機関システムは、請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の内燃機関と、前記内燃機関の出力軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記出力軸の回転負荷を検出する回転負荷検出手段と、前記内燃機関のメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射時期に関する噴射時期データとメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射量に関する噴射量データとを１つの制御データとして関連付けて複数記憶する記憶手段と、前記出力軸の回転速度および回転負荷に応じて前記噴射時期および噴射量を設定する制御手段と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、記憶手段に、請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の内燃機関のメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射時期に関する噴射時期データとメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射量に関する噴射量データとを１つの制御データとして関連付けて複数記憶しておく。回転速度検出手段にて内燃機関の出力軸の回転速度を検出し、回転負荷検出手段にて内燃機関の出力軸の回転負荷を検出する。そして、制御手段により、記憶手段に記憶された制御データに基づいて、検出した回転速度および回転負荷に応じて内燃機関の噴射時期および噴射量を設定し、内燃機関の動作制御をする。
このことにより、軽質燃料油である灯油でも、排ガス性状の悪化を防止して、内燃機関の運転状態に応じてより効率的な燃費向上および騒音低減が得られる。
【００１８】
本発明に記載の内燃機関の制御方法は、灯油を燃料油として用い一つの多噴口噴射ノズルにより多段噴射するコモンレール方式を有する内燃機関の制御方法であって、前記燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比が５％以上２５％で、前記燃料油の噴射時期は噴霧される前記燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までであることを特徴とする。
この発明では、燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比を５％以上２５％以下とし、燃料油の噴射時期を噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までとしている。
このため、軽質燃料油である灯油でも、排ガス性状の悪化を防止して、内燃機関の運転状態に応じてより効率的な燃費向上および騒音低減が得られる。
【００１９】
そして、本発明では、プログラマブル・ロジック・デバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）、プログラマブル・ロジック・アレイ（Programmable Logic Array：ＰＬＡ）および専用制御デバイスから選ばれる少なくともいずれか一つ以上の集積回路による制御により、前記燃料油を供給する構成とすることが好ましい。
このことにより、内燃機関内における燃料油組成物の供給を上述した方法により制御しているため、内燃機関への負荷が急に変動した場合であっても、内燃機関内の燃焼を常に最適な状態に保って運転することが可能となる。このため、燃料消費率がより向上するとともに、騒音、排出ガス中のＮＯxやＰＭなどが低減して環境への悪影響をより抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について詳述する。
なお、本実施形態において、灯油を燃料油として用いる内燃機関として、多段噴射機構を有するディーゼルエンジン、すなわちコモンレール方式の燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンのシステム構成を例示するが、この構成に限られない。また、本発明では、２段に限らず、複数段にも適用できる。
【００２１】
〔ディーゼルエンジンシステム〕
本実施形態における内燃機関システムとしてのディーゼルエンジンシステムは、例えば、灯油を用いたヒートポンプエアコン、発電機、自動車（スウェーデンの様な所謂シティ軽油を用いる場合）、建設機械などのオフロード車などに用いられるものである。
そして、ディーゼルエンジンシステムは、内燃機関としてのディーゼルエンジンと、燃料噴射システムを構成する制御手段としての運転制御ユニットと、を備えている。
【００２２】
ディーゼルエンジンは、多段噴射機構を有するもので、例えばパイロット噴射機構付きのエンジンである。このディーゼルエンジンは、燃料油として灯油を用いるものである。灯油は、例えばＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠するものが用いられる。なお、燃料油としては、灯油のみならず、本発明の目的および効果が妨げられない範囲において、必要に応じて各種の添加剤を適宜配合することができる。
また、ディーゼルエンジンには、燃料噴射システムを構成する、複数の燃料インジェクターと、コモンレールと、燃料ポンプと、が設けられている。
【００２３】
燃料インジェクターは、図示しないディーゼルエンジン本体のシリンダー筒に接続され、シリンダー筒内へ燃料を供給する。
コモンレールは、燃料ポンプに接続され、燃料ポンプから供給される燃料油を規定の圧力に保持する。そして、コモンレールは、複数の燃料インジェクターに接続され、規定の高い圧力の燃料油を燃料インジェクターへ供給する。
【００２４】
運転制御ユニットは、プログラマブル・ロジック・デバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）、プログラマブル・ロジック・アレイ（Programmable Logic Array：ＰＬＡ）および専用制御デバイスから選ばれる少なくともいずれか一つ以上の集積回路を備えている。
この運転制御ユニットは、ディーゼルエンジンへの燃料油の供給制御をする。
具体的には、燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下としている。すなわち、パイロット噴射量比は、以下の式(1)にて算出される条件に設定されている。
パイロット噴射量比
＝(パイロット噴射の噴口開口時間)／
((パイロット噴射とメイン噴射との全噴口開口時間)×100)……(1)
ここで、燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比が５％より少なくなると、パイロット噴射の効果が低減し、メイン一段噴射の効果のみという不都合が生じるおそれがある。一方、パイロット噴射量比が２５％より多くなると、高負荷運転時に予混合気の急激な燃焼が生じ、騒音が大きくなるという不都合が生じるおそれがある。このため、パイロット噴射量比を５％以上２５％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。
【００２５】
また、運転制御ユニットは、燃料油の噴射時期を噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°まで、好ましくは上死点前４０°から上死点前２５°までとしている。
ここで、燃料油の噴射時期が噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点より進角化、すなわち燃料油がディーゼルエンジンのシリンダー内に区画される燃焼室からはみ出る程に過早噴射を行うと、燃料油がシリンダー筒内壁に当たり、スカッフィングやラッカリングが発生してシリンダーを損傷させるおそれがある。一方、燃料油の噴霧時期が上死点前２０°より遅角化、すなわち遅くなると、パイロット噴射による予混合化が十分に行われないおそれがある。このため、燃料油の噴霧時期を、噴霧される燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°まで、好ましくは上死点前４０°から上死点前２５°までとする。
【００２６】
さらに、運転制御ユニットは、シリンダー筒内の熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までの範囲に設定している。
熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点がクランク角で上死点前５°より進角化、また上死点後５°より遅角化すると、燃料消費率が悪化するおそれがある。このため、熱発生率から得られた燃料油の５％が燃焼する時点を、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までとすることが好ましい。
【００２７】
また、運転制御ユニットは、ディーゼルエンジンの運転状況、すなわちディーゼルエンジンの図示しない出力軸の回転速度および回転負荷に応じて燃料油の供給を制御する。
具体的には、運転制御ユニットは、ディーゼルエンジンの出力軸の回転速度を検出する回転速度検出手段としての例えば回転速度センサと、出力軸の回転負荷を検出する回転負荷検出手段としての例えば回転負荷センサとから、それぞれ出力される検出信号に基づいて、出力軸の回転速度および回転負荷を認識する。
また、運転制御ユニットは、ディーゼルエンジンのメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射時期に関する噴射時期データとメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射量に関する噴射量データとを１つの制御データとして関連付けて複数記憶するテーブル構造の図示しない記憶手段を備えている。
そして、運転制御ユニットは、記憶手段に記憶された複数の制御データに基づいて、検出信号から認識した出力軸の回転速度および回転負荷に応じて、噴射時期および噴射量を設定する。
【００２８】
〔ディーゼルエンジンの運転制御〕
次に、運転制御ユニットにおけるディーゼルエンジンの運転制御を実施するための、制御プログラムの設定動作について、図面を参照して説明する。
図１は、運転制御プログラムの設定動作を示すフローチャートである。
【００２９】
まず、燃料油を指定する（ステップＳ１）。すなわち、ＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠する灯油であるＪＩＳ１号灯油を設定する。
そして、噴射ノズルであるコモンレールの噴口からの噴射量を定める推算プログラムを作成する（ステップＳ２）。例えば、利用用途やディーゼルエンジンの特性などに応じて、噴射圧や噴射時間などに基づいて、噴射量を算出する演算プログラムを設定する。
【００３０】
この後、ディーゼルエンジンの運転方法のマップを作成する（ステップＳ３）。すなわち、運転制御内容を設定する対象のディーゼルエンジンの出力軸の回転速度と回転負荷とを適宜変更し、最適運転条件を設定する処理をする。
具体的には、ディーゼルエンジンの出力軸の回転速度と回転負荷とを、特定の運転状態に設定する（ステップＳ３１）。そして、一段噴射で好適なメイン噴射条件である噴射量および噴射時間を設定する（ステップＳ３２）。
この後、ステップＳ３２で設定された好適なメイン噴射条件に基づいて、好適なパイロット噴射条件を設定する（ステップＳ３３）。なお、このパイロット噴射条件の設定の際、メイン噴射量およびパイロット噴射量の実測値と推算値とが合致しない場合、噴射時間比で噴射量比を代替する。
そして、ステップＳ３３で設定された好適なパイロット噴射条件から、好適なメイン噴射条件近傍を探索する（ステップＳ３４）。
これらステップＳ３２〜Ｓ３４を繰り返すことで、特定の回転速度および回転負荷における最適のメイン噴射条件およびパイロット噴射条件が設定される（ステップＳ３５）。このように、回転速度および回転負荷を適宜設定して同様に最適のメイン噴射条件およびパイロット噴射条件を設定することで、ディーゼルエンジンの運転条件に応じた、最適な燃料油の噴射条件がマップ状に設定される。この設定されたマップを運転制御ユニットの記憶手段に記憶させる。
【００３１】
〔実施形態の作用効果〕
上記実施の形態によれば、上述したように、灯油を燃料油として、メイン噴射前に多段の燃料油噴射を行う直噴式で、燃料油噴射として、コモンレール方式で１つの多噴口噴射ノズルを用いて多段噴射をする構成としている。
このため、軽質燃料油である灯油を燃料油として用いても、排ガス性状の悪化を防止して燃費向上および騒音低減を図ることができる。
特に、多噴口噴射ノズルとして、４つ以上、好ましくは６つ以上１３個以下の噴口を有するディーゼルエンジンに適用することが好適である。
そして、上述した所定のパイロット噴射条件に設定することで、灯油を燃料油としても、確実に排ガス性状の悪化を防止しつつ燃費向上および騒音低減が得られる。
特に、プログラマブル・ロジック・デバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）、プログラマブル・ロジック・アレイ（Programmable Logic Array：ＰＬＡ）および専用制御デバイスから選ばれる少なくともいずれか一つ以上の集積回路を備えた運転制御ユニットを用い、燃料油の噴射条件を制御する構成としている。
【００３２】
〔実施の形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。
【実施例】
【００３３】
次に、実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明する。
なお、本発明は、これらの実施例などの記載内容に何ら制限されるものではない。
【００３４】
〔実施例１〜７、比較例１〜７〕
以下、灯油を燃料油に用いたディーゼルエンジン２００の燃料噴射条件を確認する実験について図面を参照して説明する。
【００３５】
（ディーゼルエンジン）
実験用のエンジンとして、コモンレール方式の多段噴射式機構を備えたＡＶＬ社単気筒エンジンを用いた。燃料油としては、ＪＩＳ１号灯油を用いた。
（エンジンの仕様）
シリンダ直径×ピストン工程：１０５ｍｍ×１１５ｍｍ
排気容積 ：９９６ｃｍ3
圧縮比 ：１８．６
最大燃料噴射圧力 ：１３５ＭＰａ
そして、このエンジンのコモンレール式燃料噴射装置の噴射ノズルは、孔径０．１２ｍｍの噴孔を６個設けている。また、燃料室は、図２に示すように、中央に略円錐状の突起２０１を有している。そして、図２は、上死点前４０°での噴射ノズルからの燃料噴射方向を合わせて示す。上死点前４０°までは、噴孔から噴霧される燃料油の中心線Ｌが燃焼室内に収まっていることを示す。
【００３６】
（実験）
シリンダー筒内圧を圧力センサ（AVL LIST GMBH社製 商品:QC33C）で計測し、燃焼圧解析を行った。
また、燃料油流量は、流量計（小野測器社製 商品名:DF-2410）で計測するとともに、重量秤（AND社製 商品名:GP-12KR）にて供給重量を確認した。
排ガスは、分析計（堀場製作所製 商品名:MEXA-9100DEGR）で計測した。
騒音は、騒音計（日本科学工業株式会社昭和６３年製造、普通騒音計型式承認第S-15-1号）で計測した。
【００３７】
そして、上述した実施形態におけるディーゼルエンジンの運転条件を設定する動作に従って、燃料油の噴射条件を設定した。なお、パイロット噴射量比は、噴射ノズルの時間割合から設定した。
ここで、電子制御を行う際には、上記の様な方法を用いてエンジンの回転速度と回転負荷とに応じて定めたパイロット噴射およびメイン噴射の噴射時期と、各々の噴射量を定めた表を組み込んだプログラムから、所望の回転速度と回転負荷に応じた好適な噴射時期や噴射量を内挿か外挿により定めて運転する。プログラム自体は、汎用品のＩＮＣＡソフトウェアを用いて制御した。
【００３８】
そして、運転条件として、以下の２つの条件とした。
運転条件１
・回転速度：１５００rpm
・噴射圧：６００bar
・IMEP（図示平均有効圧力）：８bar
運転条件２
・回転速度：２０００rpm
・噴射圧：６００bar
・IMEP（図示平均有効圧力）：６bar
【００３９】
（結果：運転条件１）
運転条件１による結果を表１および表２に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
なお、表１および表２において、燃料消費率比は、比較例１の燃料消費率を基準に、以下の式(2)にて定義した。
燃焼消費率比
＝(実験で得られた燃料消費率−比較例１で得られた燃料消費率)×100
／(比較例１で得られた燃料消費率)……(2)
このように、燃料消費率比が小さい程、燃料消費が小さく、好ましい状態である。
また、換算ＮＯx濃度は、排ガス中の酸素が１３％になるように補正して得たＮＯx濃度である。
【００４３】
さらに、改善効果を明確にする為に、比較例１の評価項目を基準に以下の式で改善率を示す。なお、パイロット噴射時期と改善率との関係を図３に示す。
改善率
＝(実験で得られた評価項目値−比較例１で得られた評価項目値)×100
／(比較例１で得られた評価項目値)……(3)
【００４４】
そして、表１に示すように、比較例１に対して、比較例２，３は各々メイン噴射時期を早期化と遅延した場合である。試験結果から、比較例１が最も図示燃焼消費率が小さく、ＮＯx、騒音も低い。
そこで、このメイン噴射時期を基準に、パイロット噴射量比を２０％とし、パイロット噴射時期を−３６°ATDC〜−２０°ATDC（上死点前−３６°から−２０°）まで変えた結果を実施例１〜３に示す（表１参照）。
その結果、概ね比較例１よりも換算ＮＯx濃度以外は改善の方向にある。特に、図３に示すように、パイロット噴射時期が−３６°ATDC〜−２９°ATDCの範囲で改善効果が見られた。
【００４５】
また、パイロット噴射時期を−３０°ATDCとして、パイロット噴射量比を５〜３０％で変化させた結果を、実施例２と４〜６に示す。
その結果、概ね、比較例１よりも改善効果が見られるが、特にパイロット噴射量比が５〜１６％の範囲では、何れの評価項目も比較例１よりも改善されていることが見出された。
なお、パイロット噴射量比と改善率との関係を図４に示す。
【００４６】
そして、回転速度１５００rpmにおける熱発生率とクランク角との関係を図５に示す。
この図５に示すように、比較例１は一段噴射で、軽質分の予混合燃焼により急激な圧力上昇が生じている。
一方、実施例５は、パイロット噴射量が少ないために、燃料濃度が希薄で着火遅れ時間が長くなり、急激な熱発生が抑制されている。そのため、表２にも示すように、最大圧力上昇率や騒音が抑制されていることがわかる。
なお、比較例４では、パイロット噴射量が多いために着火遅れ時間が短く予混合化による希薄燃焼にならずに急激な熱発生率を生じている。そのため、表２にも示すように、最大圧力上昇率や騒音が大きくなっている。さらに、比較例４では、燃料消費率および換算ＮＯx濃度が、実施例４，５に比して高くなっている。これらように、パイロット噴射量比とともに、熱発生率を計測した場合には、少なくともパイロット噴射に伴う熱発生率ピーク値を、メイン噴射の熱発生率ピーク値よりも低く抑える必要があることがわかる。
【００４７】
（結果：運転条件２）
運転条件２による結果を表３に示す。また、回転速度２０００rpmにおける熱発生率とクランク角との関係を図６に示す。
【００４８】
【表３】
【００４９】
表３に示すように、回転速度２０００rpmの条件でも、一段噴射に比べて、パイロット噴射時期を−３０°ATDC、パイロット噴射量比を１０〜２０％にした条件では、燃費向上、排ガス浄化、騒音低減が見込まれる。
なお、実施例７において、燃焼で生じる最大筒内圧力上昇率は、比較例５よりも大きくなっているが、エンジン全体の騒音は低い状態であった。
さらに、エンジン筒内圧を計測している場合には、パイロット噴射による熱発生時期が上死点近傍にあることが、好適なパイロット運転条件になる。
【００５０】
そして、図５，６における好適条件である実施例５と実施例６とから、熱発生率から得られた燃料油が５％燃焼時点におけるクランク角は、各々−２．８９°ATDCと＋０．５４°ATDCであることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、灯油を用いたヒートポンプエアコン、発電機、自動車、建設機械などのオフロード車両など、灯油を燃料油に用いるいずれの内燃機関に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るディーゼルエンジンシステムにおける燃料噴射条件を設定する動作を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験におけるシリンダー筒内壁と燃料噴射方向との関係を示す説明図である。
【図３】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験におけるパイロット噴射時期と改善率との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験におけるパイロット噴射量比と改善率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験における回転速度１５００rpmにおける熱発生率とクランク角との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る燃料噴射条件を確認する実験における回転速度２０００rpmにおける熱発生率とクランク角との関係を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
灯油を燃料油として用いる内燃機関であって、
メイン噴射前に多段の燃料油噴射を行う直噴式であり、
前記燃料油噴射は、１つの多噴口噴射ノズルを用いて多段噴射をするコモンレール方式を有した
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関であって、
前記多噴口噴射ノズルが４つ以上の噴口を有すディーゼルエンジンである
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の内燃機関であって、
パイロット噴射機構を備え、
前記燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比は５％以上２５％以下であり、
前記燃料油の噴射時期は噴霧される前記燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までに設定された
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関であって、
前記燃料油の噴射時期は、上死点前４０°から上死点前２５°までに設定された
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の内燃機関であって、
シリンダー筒内の熱発生率から得られた前記燃料油の５％が燃焼する時点が、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までの範囲に設定された
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項６】
請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記パイロット噴射機構は、前記パイロット噴射量比が以下の式(1)にて算出される条件に設定された
パイロット噴射量比
＝(パイロット噴射の噴口開口時間)／
((パイロット噴射とメイン噴射との全噴口開口時間)×100)……(1)
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記灯油は、ＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠するものである
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項８】
請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の内燃機関と、
前記内燃機関の出力軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記出力軸の回転負荷を検出する回転負荷検出手段と、
前記内燃機関のメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射時期に関する噴射時期データとメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射量に関する噴射量データとを１つの制御データとして関連付けて複数記憶する記憶手段と、
前記出力軸の回転速度および回転負荷に応じて前記噴射時期および噴射量を設定する制御手段と、
を具備したことを特徴とした内燃機関システム。
【請求項９】
灯油を燃料油として用い一つの多噴口噴射ノズルにより多段噴射するコモンレール方式を有する内燃機関の制御方法であって、
前記燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比が５％以上２５％以下で、
前記燃料油の噴射時期は噴霧される前記燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までである
ことを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の内燃機関の制御方法であって、
プログラマブル・ロジック・デバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）、プログラマブル・ロジック・アレイ（Programmable Logic Array：ＰＬＡ）および専用制御デバイスから選ばれる少なくともいずれか一つ以上の集積回路による制御により、前記燃料油を供給する
ことを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１】
灯油を燃料油として用いる内燃機関であって、
メイン噴射前に多段の燃料油噴射を行う直噴式であり、
前記燃料油噴射は、１つの多噴口噴射ノズルを用いて多段噴射をするコモンレール方式を有した
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関であって、
前記多噴口噴射ノズルが４つ以上の噴口を有すディーゼルエンジンである
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の内燃機関であって、
パイロット噴射機構を備え、
前記燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比は５％以上２５％以下であり、
前記燃料油の噴射時期は噴霧される前記燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までに設定された
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関であって、
前記燃料油の噴射時期は、上死点前４０°から上死点前２５°までに設定された
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の内燃機関であって、
シリンダー筒内の熱発生率から得られた前記燃料油の５％が燃焼する時点が、クランク角で上死点前５°から上死点後５°までの範囲に設定された
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項６】
請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記パイロット噴射機構は、前記パイロット噴射量比が以下の式(1)にて算出される条件に設定された
パイロット噴射量比
＝(パイロット噴射の噴口開口時間)／
((パイロット噴射とメイン噴射との全噴口開口時間)×100)……(1)
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記灯油は、ＪＩＳ Ｋ ２２０３に準拠するものである
ことを特徴とした内燃機関。
【請求項８】
請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の内燃機関と、
前記内燃機関の出力軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記出力軸の回転負荷を検出する回転負荷検出手段と、
前記内燃機関のメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射時期に関する噴射時期データとメイン噴射およびパイロット噴射の各噴射量に関する噴射量データとを１つの制御データとして関連付けて複数記憶する記憶手段と、
前記出力軸の回転速度および回転負荷に応じて前記噴射時期および噴射量を設定する制御手段と、
を具備したことを特徴とした内燃機関システム。
【請求項９】
灯油を燃料油として用い一つの多噴口噴射ノズルにより多段噴射するコモンレール方式を有する内燃機関の制御方法であって、
前記燃料油の全噴射量に占めるパイロット噴射量比が５％以上２５％以下で、
前記燃料油の噴射時期は噴霧される前記燃料油の中心線がシリンダー筒内壁に接しない時点から上死点前２０°までである
ことを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の内燃機関の制御方法であって、
プログラマブル・ロジック・デバイス（Programmable Logic Device：ＰＬＤ）、プログラマブル・ロジック・アレイ（Programmable Logic Array：ＰＬＡ）および専用制御デバイスから選ばれる少なくともいずれか一つ以上の集積回路による制御により、前記燃料油を供給する
ことを特徴とする内燃機関の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−４１４７４（Ｐ２００９−４１４７４Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０８１４８（Ｐ２００７−２０８１４８）
【出願日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【出願人】（０００１８３６４６）出光興産株式会社 (2,069)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【出願人】（０００１８３６４６）出光興産株式会社 (2,069)
【Ｆターム（参考）】
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