圧縮自己着火式内燃機関

【課題】広範囲な運転領域で圧縮自己着火燃焼を可能とする。
【解決手段】燃焼室１に開閉弁１１を介して連通する副室１０と、該副室に燃料を噴射する副室燃料噴射弁１２と、を設け、排気弁９が開く以前の膨張行程終期に開閉弁１１を開閉し、既燃ガスを副室１０内に充填する。その後の排気、吸気行程での燃焼室１内のガス交換の間に、副室燃料噴射弁１２から燃料を噴射して副室１０内で燃料を改質する。そして、吸気弁３が閉じた後の圧縮行程始期に開閉弁１１を開閉し、既燃ガス及び改質燃料を燃焼室１内に供給する。このとき、機関の負荷が小さいほど燃焼室１への既燃ガス及び改質燃料の供給時期を遅らせるように前記開閉弁１１の開時期を制御する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃料させる圧縮自己着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】着火性の低いガソリンを燃料として使用する内燃機関においても、高効率、低エミッションの観点より、点火を行わずに圧縮自己着火により着火燃焼を行わせることが提案されている。このような圧縮自己着火式の内燃機関としては、例えば特開平１１−３４３８７４号公報に開示されたものがある。
【０００３】このものは、開閉弁を介して燃焼室に連通する副室を設け、その副室より高温の既燃ガスを成層状態で燃焼室内に供給することによって、着火性の悪いガソリン混合気を圧縮自己着火させている。具体的には、膨張行程終期に開閉弁を開弁して既燃ガスを副室内に充填し、吸気行程若しくは圧縮行程中の燃焼室内圧力が副室よりも低いときに再び開閉弁を開弁することで、既燃ガスを成層化して燃焼室へ供給するように構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来のものは、既燃ガスを燃焼室内に導入する時期を明確に規定しておらず、また、吸気弁が開弁している吸気行程中に前記開閉弁を開弁して副室から既燃ガスを導入することになるので、既燃ガスの充填により圧縮自己着火燃料において混合気を着火させるのに必要な筒内平均温度の上昇を確保することはできるものの、平均有効圧を向上させるために必要な筒内の総ガス量（モル数）を増大させることができない。また、低負荷領域において安定した運転を行うという観点からも、十分な着火性を保つためには筒内平均温度の上昇のみでは不十分である。
【０００５】このため、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域が制限されていた。本発明は、このような問題に鑑みなされたものであって、広範囲にわたる運転領域において圧縮自己着火燃焼を可能とする圧縮自己着火式内燃機関を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そのため、請求項１に係る発明は、燃焼室内に改質燃料を供給し、圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、前記改質燃料の燃焼室への供給時期を、機関の負荷が小さいほど遅くすることを特徴とする。
【０００７】請求項２に係る発明は、前記燃焼室に開閉弁を介して連通する副室と、該副室内に燃料を噴射する副室燃料噴射弁と、を備え、前記開閉弁の開閉動作により副室内に充填した既燃ガス中に、副室燃料噴射弁により燃料を噴射することにより燃料を改質し、該改質した燃料を燃焼室内に供給することを特徴とする。
【０００８】請求項３に係る発明は、前記改質燃料の燃焼室への供給時期は、前記開閉弁の開閉時期により制御することを特徴とする。請求項４に係る発明は、前記開閉弁は、機関の吸気弁が閉弁された後の圧縮行程始期と排気弁が開弁される前の膨張行程終期に開弁されることを特徴とする。
【０００９】請求項５に係る発明は、前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期を、機関の負荷が小さいほど遅くすることを特徴とする。請求項６に係る発明は、前記開閉弁の排気弁開弁前の開時期を、機関の負荷が小さいほど早くすることを特徴とする。
【００１０】請求項７に係る発明は、前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期及び排気弁開弁前の開時期を、機関の回転速度が高いほど早くすることを特徴とする。請求項８に係る発明は、前記開閉弁の開度を、機関の回転速度が高いほど大きくすることを特徴とする。
【００１１】請求項９に係る発明は、前記副室内の噴射する燃料量を、機関の負荷が小さいほど多くすることを特徴とする。請求項１０に係る発明は、前記副室が機関の排気ポート側に設けられることを特徴とする。
【００１２】請求項１１に係る発明は、前記開閉弁が電磁弁であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、着火し易い改質燃料を燃焼室への供給し、かつ、改質燃料の供給時期を機関の負荷が小さいほど遅くするので、改質燃料を局所的に分布させ、筒内の燃料混合気の成層度を高めることができる。
【００１４】この結果、着火性を向上させることができ、低負荷領域においても良好な圧縮自己着火性能を確保できる。逆に、機関の負荷が大きくなるほど燃焼室内の総ガス量も多くなり、温度・圧力上昇が相対的に早くなるので、これに合わせて改質燃料の供給時期を早める。これにより、運転状態に応じて適切な時期に改質燃料を供給でき、着火性の向上を効果的に行うことができる。
【００１５】請求項２に係る発明によれば、開閉弁の開閉動作により副室内に既燃ガスを充填し、充填された高温、高圧な既燃ガス中に副室燃料噴射弁により燃料を噴射することにより、ガソリン等の着火性の悪い燃料を着火し易い燃料に改質できる。そして、開閉弁を開弁することで改質した燃料（改質燃料）を燃焼室内に供給できる。
【００１６】請求項３に係る発明によれば、開閉弁の開閉時期を制御することにより、筒内における燃料混合気の成層度を最適に制御しつつ、改質燃料を燃焼室内の供給できる。請求項４に係る発明によれば、前記開閉弁が、機関の排気弁が開弁される前の膨張行程終期に開弁されることにより、圧力の高い燃焼室から既燃ガスが副室内に充填される。その後、副室内に充填された高温、高圧の既燃ガス中に燃料を噴射することで着火性の悪い燃料を着火し易い改質燃料とする。そして、次行程の吸気弁が閉弁された後の圧縮行程始期に前記開閉弁を開弁することにより、副室から改質燃料を含む既燃ガスが燃焼室へと供給される。
【００１７】このように過給された既燃ガスにより、燃焼室内の混合気は加熱され、さらにピストンによって断熱圧縮されて高温となり、圧縮上死点付近で自己着火する。かかる現象が繰り返されることで過給圧力が高められ、良好な圧縮自己着火性能を確保できる。請求項５に係る発明によれば、前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期を機関の負荷が小さいほど遅くすることにより、改質燃料を含む既燃ガスの燃焼室への供給時期を遅らせて、筒内の燃料混合気の成層度を高める。これにより、着火性を向上させて圧縮自己着火が比較的起こりにくい低負荷領域においても良好な圧縮自己着火性能を確保できる。
【００１８】請求項６に係る発明によれば、前記開閉弁の排気弁開弁前の開時期を機関の負荷が小さいほど早くすることにより、エネルギーの高い既燃ガスを副室内に充填することができる。これにより、副室内の噴射する燃料の燃料改質効果を高くでき、良好な圧縮自己着火性能を確保できる。
【００１９】請求項７に係る発明によれば、前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期及び排気弁開弁前の開時期を、機関の回転速度が高いほど早くすることにより、着火に至るまでに必要な時間を確保して良好な圧縮自己着火性能を確保できる。請求項８に係る発明によれば、前記開閉弁の開度を機関の回転速度が高いほど大きくすることにより、機関の回転速度が高いほど、短い時間で既燃ガスのエネルギーを利用して過給効果高めることができる。これにより、着火に至るまでの時間が確保しにくくなる高回転領域においても良好な圧縮自己着火性能を確保できる。
【００２０】請求項９に係る発明によれば、前記副室内の噴射する燃料量を機関の負荷が小さいほど多くすることにより、着火性の悪化する低負荷領域において、改質燃料量を増加させて良好な圧縮自己着火性能を確保する。請求項１０に係る発明によれば、前記副室が機関の排気ポート側に設けられることにより、副室内に充填された既燃ガスのエネルギー損失を最小限に抑えることができる。
【００２１】請求項１１に係る発明によれば、前記開閉弁が電磁弁とすることにより、開閉時期及びバルブリフト量を任意に制御できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す４サイクル型ガソリン機関のシステム図である。図１において、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と通常の火花点火燃焼とを切り換え可能な機関は、燃焼室１と、少なくとも１本の吸気ポート２と、該吸気ポート２の下流側で燃焼室１の入口に配置された吸気弁３と、ピストン４と、吸気ポート２に設けられ吸気弁３に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁５と、火花点火燃焼を行う際にスパーク点火を行う点火プラグ６と、燃焼制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）７と、少なくとも１本の排気ポート８と、該排気ポート８の上流側で燃焼室１の出口に配置された排気弁９と、排気ポート８側に設置され、燃焼室１と開閉弁１１を介して連通する副室１０と、該副室１０内に燃料を噴射する副室燃料噴射弁１２と、を含んで構成される。
【００２３】前記燃料噴射弁５は、吸気ポート２内に燃料噴射するように配置されているが、燃焼室１内に直接燃料を噴射するものであってもよい。前記ＥＣＵ７は、クランク角センサ（図示省略）が検出した機関回転信号とアクセル開度センサ（図示省略）が検出したアクセル開度信号（負荷）とに基づいて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼のいずれの燃焼方式で運転を行うかを判定する燃焼形態判定部１３と、火花点火燃焼を行うときに燃焼制御を行う火花点火燃焼制御部１４と、圧縮自己着火燃焼を行うときに燃焼制御を行う圧縮自己着火燃焼制御部１５と、を備えている。
【００２４】前記吸気弁３及び排気弁９は、それぞれ吸気側カム軸（図示省略）、排気側カム軸（図示省略）によって開閉時期（バルブタイミング）が可変制御され、特に、火花点火燃焼を行うときのバルブタイミング制御と圧縮自己着火燃焼を行うときのバルブタイミングとを切り換え可能な可変動弁装置が設けられている。なお、このような可変動弁装置としては、例えば、特開平９−２０３３０７号公報に開示されているようなものがある。
【００２５】そして、図２に示すような機関の回転速度及び負荷領域において、圧縮自己着火燃焼を行い、それ以外の領域においては火花点火燃焼を行う。なお、図３は、圧縮自己着火燃焼時のバルブタイミング制御（前記開閉弁１１のバルブタイミング制御を含む）を示し、図４R>４は、火花点火燃焼時のバルブタイミング制御を示す。
【００２６】前記開閉弁１１としては、開閉時期及びバルブリフト量を任意に制御できるよう電磁駆動弁を用いている。ここで、圧縮自己着火燃焼を行わせる際の諸条件について説明する。圧縮自己着火燃焼では、火花による点火を行うことなく、混合気の温度をピストン４の圧縮により上昇させて自発的な着火を行わせる必要がある。ガソリンを燃料とする場合には、火花点火燃焼の全負荷性能を損なわない圧縮比（例えば１２以下）ではピストン４の圧縮のみでは自発的な着火に至る温度を得ることができない。
【００２７】このため、圧縮開始時点以前に何らかの手段により混合気加熱を行うか、若しくは燃料が着火に至る温度を下げることが必要となる。前記従来の技術では、圧縮自己着火を補助するため、燃焼室内の既燃ガス量を増加させて混合気の温度を上昇させている。この場合、混合気温度が上昇するので、新気と残留既燃ガスを合わせたガスの総モル数が減少してしまう。
【００２８】次に、圧縮自己着火燃焼の負荷範囲について説明する。圧縮自己着火燃焼は、燃焼室空間内で多点同時的に発生するため、局所的な熱発生速度が大きいと全体としての熱発生が急激になり、急激な圧力上昇を引き起こして打音が発生する。この現象を回避するには、ガスと燃料重量との比（以下Ｇ／Ｆという）を大きくして局所の熱発生速度を緩やかにする必要がある。経験上、この打音が発生しない限界Ｇ／Ｆはおよそ３０程度であり、これにより、燃焼室内に投入できる燃料量は燃焼室内のガス量に応じて制限されることになる。このことは、圧縮自己着火燃焼の最高負荷が制限されることを意味する。
【００２９】前記従来の技術では、圧縮自己着火を補助するために、燃焼室内の既燃ガス量を増加させて混合気の温度を上昇させるので、燃焼室内のガスの総モル数が減少し、圧縮自己着火燃焼の最高負荷が小さな値にとどまってしまう。また、低負荷領域においては混合気を更に希薄化して燃焼を行うため、着火性の悪化が顕著になり、燃焼安定性が低下して未燃燃料量が増加し、排気性能、燃費の悪化を招く。更に、機関回転速度が上昇した場合でも、着火性の悪化が問題となる。
【００３０】この問題を解決するためには、燃焼室内の既燃ガス量を増加させても新気量が減少しないようにする必要がある。つまり、既燃ガスを過給するようにすればよい。また、低負荷領域及び高回転領域における着火性の向上を同時に成立させて圧縮自己着火燃焼による運転負荷範囲を拡大するためには、燃料を着火し易い燃料に改質する手段を設ければよい。
【００３１】本発明では、ターボチャージャー、スーパーチャージャー等の従来の過給方法によらず、高い過給圧力を発生することができ、さらに、この過給圧力と既燃ガスの高温を利用して燃料を着火し易い燃料へと改質することによって、広範囲の運転負荷領域で圧縮自己着火燃焼を可能としている。以下、本実施形態に係る圧縮自己着火燃焼について詳細に説明する。
【００３２】まず、図５に基づき、部分負荷時の機関の動作を行程毎に説明する。膨張行程において排気弁９が開く以前に開閉弁１１を開き、その後排気弁９が開く以前に開閉弁１１を閉じることで副室１０内に既燃ガスを充填する（図５（Ｄ））。続いて、通常の機関と同様に、排気行程での排気、吸気行程での吸気を行うことにより燃焼室１内のガス交換を行う（図５（Ｅ）、（Ａ））。このガス交換の期間内に、副室１０内に充填された既燃ガス中の副室燃料噴射弁１２により燃料噴射を行い、既燃ガスの高温かつ高圧な空間内にて燃料を着火し易い改質燃料にすることが可能である。
【００３３】さらに、吸気弁３を閉じた後に開閉弁１１を開くことで、副室１０内の既燃ガス（改質燃料を含む）を噴出させて、燃焼室１内に導入する（図５（Ｂ））。これにより、燃焼室１内の混合気は加熱され、加熱された混合気はピストン４によって断熱圧縮されて高温となり、圧縮上死点付近で自己着火し（図５（Ｃ））、膨張行程に至る。
【００３４】そして、排気弁９が開く前に再び開閉弁１１を開閉することにより、再度既燃ガスを副室１０内に充填する。圧縮行程始めにおいて副室１０より既燃ガスが燃焼室１内に導入されるとき、燃料室１内の圧力は副室１０内の圧力と同程度まで高まる。その後、膨張行程終わりに再び開閉弁１１が開くときには、燃焼によって燃焼室１内の圧力は圧縮行程始めに開閉弁１１を開いたときよりも高くなっている。このため、既燃ガスが副室１０内に充填される圧力が、圧縮行程始めに開閉弁１１を開いた時点よりも高くなる。
【００３５】従って、次サイクルの圧縮行程始めにおいては、前サイクルより高い圧力で既燃ガスが燃焼室１内に充填されることになる。この現象が繰り返されることにより、既燃ガスによる過給圧力が次第に高まり、副室１０内の圧力は２ｂａｒ程度、温度は９５０Ｋ程度まで達する。以上の時間的変化を図６、図７に示す。ここで、開閉弁１１の開閉動作について説明する。
【００３６】開閉弁１１は、図３に示すように、吸気弁３閉弁後と排気弁９開弁前との二度開閉作動される。吸気弁３閉弁後における開閉弁１１の開時期を、機関の負荷が小さいほど遅角させることにより、改質された燃料の燃焼室１への供給時期を遅らせて改質燃料の成層度を高め、圧縮自己着火燃焼の着火性を向上させることができる。
【００３７】同時に、排気弁９開弁前における開閉弁１１の開時期を、進角させることにより、膨張行程中の燃焼室１内の圧力が高い時期に、副室１０と燃焼室１とが連通させることができるので、副室１０内に充填される既燃ガスの充填量が多くなり、次サイクルでの既燃ガス量が増加する。また、機関回転速度の上昇に伴って、着火に至るまでの圧縮時間が短くなるのに対し、自己着火燃焼させるために必要な時間は化学的な反応速度が支配しているため、高回転側へと向かうほど着火性が悪化してしまう。このため、吸気弁３閉弁後と排気弁９開弁前の開閉弁１１の開時期を、機関回転速度が高いほど進角させるようにする。これにより、燃焼室１内の圧力が低く副室１０内の圧力が高い時期、すなわち、差圧の大きい時期に既燃ガスを燃焼室１内に供給できるので、既燃ガスによる過給効果を高めることができ、高回転時における着火性を向上できる。なお、開閉弁１１の開時期を図８に示す。
【００３８】以上により、着火性が悪化する低負荷運転領域、高回転領域においても安定かつクリーンな圧縮自己着火燃焼による運転が可能となる。図９は、機関回転速度に対する開閉弁１１のバルブリフト量を示したものである。図に示すように、圧縮時間が短くなる高回転領域においては、リフト量を増加させるようにすることにより、燃焼室１内に供給する既燃ガスの通路面積を増大させ、過給効果を高めることができる。これにより、着火性が悪化する高回転領域において、より着火性を向上でき、安定かつクリーンな圧縮自己着火燃焼による運転が可能となる。
【００３９】図１０は、機関の負荷と副室１０内に噴射される燃料量との関係を示したものである。負荷の要求に対して総燃料噴射量がＥＣＵ７により決定され、同時に、吸気ポート２に設けられた燃料噴射弁５から噴射する燃料量と副室１０内に燃料を噴射する副室燃料噴射弁１２から噴射する燃料量との噴射割合が決定される。図１０１０に示すように、機関の負荷が小さいほど副室１０内に噴射する燃料量を増加させるようにする。これにより、燃焼室１内に供給される改質燃料の割合が増加して、低負荷領域における着火性を向上させることができる。
【００４０】図１１は、本発明の第２実施形態のシステム図である。副室１０の構成のみが、図１に示した第１実施形態と異なる。すなわち、本実施形態は、多気筒機関において、各気筒の排気ポート８'のうち１つを開閉弁１１'を介して燃焼室１'と連通させ、この排気ポート８'の下流側に遮断弁１６を設けている。そして、遮断弁１６を閉じることにより、開閉弁１１'と遮断弁１６との間に副室１０'を形成する。
【００４１】本実施形態では、圧縮自己着火燃焼を行う際には、遮断弁１６を閉じて運転することにより、上述した第１実施形態と同様な効果を得ることができる。また、火花点火燃焼を行う際には、遮断弁１６を開いて運転することにより、通常の排気ポートとして使用し、排気効率を損なうことなく運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のシステム構成を示す図。
【図２】同じく機関の運転状態と燃焼形態の関係を示す図。
【図３】同じく圧縮自己着火燃焼時のバルブタイミング特性を示す図。
【図４】同じく火花点火燃焼時のバルブタイミング特性を示す図。
【図５】同じく部分負荷時の機関の行程毎の動作を示す図。
【図６】同じく副室内圧力のサイクル繰り返しによる増大変化を示す図。
【図７】同じく筒内圧力のサイクル繰り返しによる増大変化を示す図。
【図８】同じく圧縮自己着火燃焼時における開閉弁の開時期を示す図。
【図９】同じく機関回転速度に対する開閉弁のリフト特性を示す図。
【図１０】同じく機関の負荷と副室内に噴射される燃料量の関係を示す図。
【図１１】本発明の第２実施形態のシステム構成を示す図。
【符号の説明】
１、１' 燃焼室
２吸気ポート
３吸気弁
４ピストン
５燃料噴射弁
６点火プラグ
７ＥＣＵ
８、８' 排気ポート
９排気弁
１０、１０' 副室
１１、１１' 開閉弁
１２副室燃料噴射弁
１６遮断弁

【特許請求の範囲】
【請求項１】燃焼室内に改質燃料を供給し、圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、前記改質燃料の燃焼室への供給時期を、機関の負荷が小さいほど遅くすることを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項２】前記燃焼室に開閉弁を介して連通する副室と、該副室内に燃料を噴射する副室燃料噴射弁と、を備え、前記開閉弁の開閉動作により副室内に充填した既燃ガス中に、副室燃料噴射弁により燃料を噴射することにより燃料を改質し、該改質した燃料を燃焼室内に供給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。
【請求項３】前記改質燃料の燃焼室への供給時期は、前記開閉弁の開閉時期により制御す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。
【請求項４】前記開閉弁は、機関の吸気弁が閉弁された後の圧縮行程始期と排気弁が開弁される前の膨張行程終期に開弁されることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項５】前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期を、機関の負荷が小さいほど遅くすることを特徴とする請求項４記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項６】前記開閉弁の排気弁開弁前の開時期を、機関の負荷が小さいほど早くすることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項７】前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期及び排気弁開弁前の開時期を、機関の回転速度が高いほど早くすることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項８】前記開閉弁の開度を、機関の回転速度が高いほど大きくすることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項９】前記副室内の噴射する燃料量を、機関の負荷が小さいほど多くすることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか１つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項１０】前記副室は、機関の排気ポート側に設けられることを特徴とする請求項２から請求項９のいずれか１つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項１１】前記開閉弁が電磁弁であることを特徴とする請求項２から請求項１０のいずれか１つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。

【図１】