JP3613666B2 - 圧縮着火式内燃機関の燃焼方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮着火式内燃機関の燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮着火式内燃機関では圧縮上死点を過ぎてピストンが下降しだすと燃焼室内の温度は次第に低くなる。従って圧縮上死点後に燃料を噴射すると燃焼室内の温度が低いために噴射燃料はただちに着火せず、噴射燃料が燃焼室内に分散して燃料粒子からの燃料の蒸発作用が進行した後に着火せしめられる。このように噴射燃料が燃焼室内に分散して燃料の蒸発作用が進行すると燃料周りには十分な量の空気が存在するようになるのでこのような状態のもとで燃料が着火せしめられると煤の発生が抑制される。また、燃焼室内の温度が低下していくために燃料が着火せしめられても燃焼温度がさほど上昇せず、斯くしてＮＯｘ の発生が抑制される。この場合、燃料噴射時期を遅くすればするほど燃料が分散すると共に燃焼温度が低くなるので煤およびＮＯｘ の発生量は低下する。従って煤およびＮＯｘ の発生量を低下させるためには燃料噴射時期をできる限り遅くすることが好ましいことになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら燃料噴射時期を遅くすると燃焼室内の温度が低くなるために失火を生ずる。この場合、失火を生ずることなく噴射燃料を着火させることができれば煤およびＮＯｘ の発生量を大巾に低減できることになる。
本発明の目的は燃料噴射時期を遅らせても噴射燃料を着火することができ、ＮＯｘ および煤の発生を大巾に抑制することのできる圧縮着火式内燃機関を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために１番目の発明では、燃焼室内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁を具備し、補助燃料を噴射した後に主燃料を噴射するようにした圧縮着火式内燃機関において、補助燃料の噴射量および噴射時期を圧縮上死点後において補助燃料全体が予混合燃焼しうる噴射量および圧縮上死点付近の噴射時期に設定して補助燃料全体を圧縮上死点後に予混合燃焼させ、主燃料の噴射時期を補助燃料を噴射しなかった場合には燃焼不良又は失火を生じかつ補助燃料を噴射した場合には補助燃料の燃焼後に主燃料が燃焼不良又は失火を生じることなく燃焼せしめられる圧縮上死点後の噴射時期に設定して補助燃料の燃焼後に主燃料を燃焼させ、補助燃料の噴射時期および主噴射の噴射時期を共に要求負荷が高くなるほど遅らせるようにしている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１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は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１６および排気管１７を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン１８に連結され、排気タービン１８の出口は酸化触媒１９を内蔵した触媒コンバータ２０に連結される。
【０００８】
排気マニホルド１６とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。各燃料噴射弁６は燃料供給管２４を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２５に連結される。このコモンレール２５内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６から燃料が供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２５にはコモンレール２５内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２７が取付けられ、燃料圧センサ２７の出力信号に基づいてコモンレール２５内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２６の吐出量が制御される。
【０００９】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２７の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、ＥＧＲ制御弁２３および燃料ポンプ２６に接続される。
【００１０】
次に図２から図４を参照しつつ本発明による燃焼方法について説明する。
本発明による圧縮着火式内燃機関ではまず初めに補助燃料が噴射され、次いで主燃料が噴射される。図２は補助燃料の噴射量Ｑａと主燃料の噴射量Ｑｍを示している。なお、図１において横軸はアクセルペダル４０の踏込み量、即ち要求負荷を示している。図２に示されるように補助燃料の噴射量Ｑａは要求負荷Ｌにかかわらずに主燃料の噴射量Ｑｍよりも少ない。また、主燃料の噴射量Ｑｍは要求負荷Ｌが高くなるにつれて増大するのに対して補助燃料の噴射量Ｑａは要求負荷Ｌが高くなるにつれて減少する。
【００１１】
図３は或る機関回転数における補助燃料の噴射開始時期θａと噴射完了時期Ｅθａ、および主燃料の噴射開始時期θｍと噴射完了時期Ｅθｍの一例を示している。また、Ｃａは補助燃料の燃焼が行われるおおよその領域を示しており、Ｃｍは主燃料の燃焼が行われるおおよその領域を示している。なお、図３において縦軸Ｌは要求負荷を示しており、横軸はクランク角を示している。
【００１２】
図３に示されるように補助燃料は圧縮上死点ＴＤＣ付近において噴射され、噴射された補助燃料は噴射後一定時間以上経過した圧縮上死点後に燃焼せしめられる。また、主燃料は圧縮上死点後に噴射され、噴射された主燃料も噴射後一定時間以上経過した後に燃焼せしめられる。なお、補助燃料の噴射開始時期θａおよび主燃料の噴射開始時期θｍは要求負荷Ｌが高くなるほど遅くなる。図３に示される例では補助燃料の噴射開始時期θａはほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ２°からほぼ圧縮上死点後ＡＴＤＣ５°の間であり、主燃料の噴射開始時期θｍはほぼ圧縮上死点後ＡＴＤＣ６°からほぼ圧縮上死点後ＡＴＤＣ１８°の間である。
【００１３】
上述したように図３は或る機関回転数における噴射開始時期θａ，θｍおよび噴射完了時期Ｅθａ，Ｅθｍを示しており、従って機関回転数が変化するとそれに伴なって噴射開始時期θａ，θｍおよび噴射完了時期Ｅθａ，Ｅθｍは変化する。例えば機関回転数が高くなると噴射開始時期θａ，θｍが早められる。
図４は図示平均有効圧（以下、単に圧力という）ＰＭａおよび熱発生率ｄＱ／ｄθを示している。なお、図４において横軸はクランク角を示している。図４に示されるように燃焼室５内の圧力ＰＭａおよび熱発生率ｄＱ／ｄθは補助燃料の燃焼Ｃａおよび主燃料の燃焼Ｃｍが行われたときに上昇する。
【００１４】
一方、図５（Ａ）は予混合燃焼が行われた後に拡散燃焼が行われる場合の、熱発生率ｄＱ／ｄθの変化パターンを示しており、図５（Ｂ）は予混合燃焼のみが行われ、拡散燃焼が行われない場合の熱発生率ｄＱ／ｄθの変化パターンを示している。図４に示される補助燃料の燃焼Ｃａによる熱発生率ｄＱ／ｄθの変化パターンおよび主燃料の燃焼Ｃｍによる熱発生率ｄＱ／ｄθの変化パターンはいずれも図５（Ｂ）に示される変化パターンと同じであり、従って補助燃料および主燃料は共に予混合燃焼していることがわかる。
【００１５】
さて、冒頭で述べたように主燃料の噴射時期を遅らせば遅らすほど煤およびＮＯｘ の発生量が低下する。従って煤およびＮＯｘ の発生量を低下させるためには主燃料の噴射時期をできる限り遅らせることが好ましいことになる。しかしながら主燃料のみを噴射した場合、主燃料の噴射時期を遅らせていくと燃焼室５内の温度が低くなりすぎるために燃焼不良を生じ、更に噴射時期を遅らせると失火を生じることになる。しかしながらこのように主燃料の噴射時期を燃焼不良又は失火を生じる噴射時期まで遅らせた状態で主燃料を正常に、即ち燃焼不良又は失火を生じることなく燃焼せしめることができれば煤およびＮＯｘ の発生量を大巾に低減できることになる。
【００１６】
この場合、燃焼不良を生じる噴射時期よりも失火を生じる噴射時期は遅く、従って主燃料の噴射時期を失火の生じる噴射時期まで遅らせた状態で主燃料を正常に燃焼しうる場合の方が主燃料の噴射時期を燃焼不良の生じる噴射時期まで遅らせた状態で主燃料を正常に燃焼しうる場合に比べて煤およびＮＯｘ の発生量を低減することができる。
【００１７】
そこで本発明では主燃料の噴射時期を主燃料のみ噴射した場合には燃焼不良を生じる噴射時期まで、好ましくは失火を生じる更に遅い噴射時期まで遅くし、このように主燃料の噴射時期を遅くしても主燃料が正常に燃焼しうるように補助燃料を噴射するようにしている。
本発明による実施例では主燃料の噴射時期を遅くしても主燃料が正常に燃焼しうるように補助燃料を噴射すると燃焼室５内のほぼ全体に分布した多数の場所において同時に主燃料が着火せしめられ、ＮＯｘ および煤の発生量が極めて低くなる。この場合、なぜこのように多数の場所において同時に燃料が着火せしめられるかについては必ずしも明確ではないが次のような理由に基づいているものと考えられる。
【００１８】
即ち、主燃料のみを噴射した場合、主燃料の噴射時期が圧縮上死点から遅れれば遅れるほど燃料噴射時における燃焼室５内の温度は低くなり、燃焼室５内の圧力が低くなる。燃焼室５内の圧力が低くなると空気抵抗が小さくなるために燃料粒子は燃焼室５全体に分散し、また燃料粒子からの燃料の蒸発が促進される。従って燃料周りには十分な酸素が存在するようになる。一方、噴射燃料が分散する間に噴射燃料の温度は徐々に増大する。しかしながら燃焼室５内の温度が低いためにたとえ燃料周りに十分な酸素が存在していたとしても燃焼するには至らない。従ってこのままでは失火してしまうことになる。
【００１９】
ところが補助燃料を噴射すると補助燃料の燃焼熱によって燃焼室５内の温度が上昇する。その結果燃焼室５内に分散している主燃料の酸化反応が促進され、斯くして燃焼室５内の多数の場所において同時に燃焼が開始される。このように燃焼室５内の多数の場所において同時に燃焼が開始されると燃焼室５内の温度は全体的に低くなり、斯くしてＮＯｘ の発生量は極めて少なくなる。また、燃料の周りに十分な酸素が存在するようになったときに燃焼が開始されるので煤の発生量も極めて少量となる。またこのときの燃焼はおだやかであるために燃焼騒音がほとんど発生しなくなる。
【００２０】
このように補助燃料を噴射すると主燃料の燃焼は煤およびＮＯｘ の発生量が極めて少なくかつ燃焼騒音がほとんど発生しない燃焼となる。しかしながらこのように主燃料の燃焼が煤およびＮＯｘ の発生量が極めて少なくかつ燃焼騒音がほとんど発生しない燃焼となっても補助燃料の燃焼により多量の煤やＮＯｘ が発生したり、或いは燃焼騒音が発生したのでは何の意味もない。そこで本発明では補助燃料の燃焼も煤およびＮＯｘ がほとんど発生せずかつ燃焼騒音がほとんど発生しない燃焼となりかつ補助燃料の燃焼熱により主燃料の燃焼がひき起こされるように補助燃料全体をピストン４が下降を開始してから暫らくした後の圧縮上死点後において予混合燃焼せしめるようにしている。
【００２１】
即ち、多量の燃料を圧縮上死点付近で噴射すると噴射時に生成された予混合気が一気に燃焼せしめられ、次いで燃料液滴からの蒸発燃料の燃焼、即ち拡散燃焼が行われる。このときの熱発生率ｄＱ／ｄθの発生パターンは図５（Ａ）のようになる。しかしながら圧縮上死点付近で予混合気が一気に燃焼せしめられると燃焼圧が急上昇するために大きな燃焼騒音が発生し、また燃焼温が高くなるために多量のＮＯｘ が発生する。また、拡散燃焼が行われると液滴からの蒸発燃料が十分な空気と混合しないうちに燃焼せしめられ、斯くして多量の煤が発生する。従って補助燃料は拡散燃焼を行わせないように燃焼させる必要がある。
【００２２】
一方、燃料を圧縮上死点付近において噴射した場合でも噴射量が少ない場合には必ずしも噴射時に生成された予混合気が一気に燃焼しない。即ち、予混合気が一気に燃焼するのは予混合気の濃度が一定濃度以上になったときである。従って噴射量が少なく、噴射時に予混合気の濃度が一定濃度以上にならない場合には噴射時に予混合気が一気に燃焼することはない。一方、噴射後時間を経過するにつれて燃料粒子からの蒸発燃料量が増大し、従って全体的な予混合気量は増大する。しかしながら噴射後時間を経過するにつれて燃料粒子が分散するために予混合気の濃度は急激には上昇しない。
【００２３】
一方、噴射後時間を経過すればするほどピストン４が下降するために燃焼室５内の圧力は低くなり、燃焼室５内の温度が低くなる。燃焼室５内の圧力が低くなると空気抵抗が小さくなるために燃料粒子は燃焼室５全体に分散し、また燃料粒子からの燃料の蒸発が促進される。従って燃料周りには十分な酸素が存在するようになる。一方、噴射燃料が分散する間に噴射燃料の温度は徐々に増大し、噴射燃料の温度が着火温度に達すると燃焼が開始される。燃焼が開始されるころには噴射燃料の大部分は予混合気となっており、斯くしてこのとき予混合燃焼が行われることになる。このとき上述した如く燃料周りには十分な酸素が存在しており、従って煤はほとんど発生しない。また、燃焼室５内の圧力が急速に下降しているときに予混合燃焼が行われるために燃焼圧は急激に上昇せず、従って燃焼騒音がほとんど発生しない。また、予混合燃焼が開始されるころには燃焼室５内の温度が低くなっており、しかも燃焼圧が急激に上昇しないので燃焼温が低くなり、斯くしてＮＯｘ の発生量が極めて少なくなる。
【００２４】
従って補助燃料を圧縮上死点付近において噴射すると補助燃料が少い場合には噴射後一定時間以上経過したときに予混合燃焼が行われることになる。この場合、もし噴射後ただちに予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じてしまう場合には補助燃料の噴射時期を遅らせることによって噴射後ただちに予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じるのを回避することができる。即ち、噴射後一定時間以上経過したときに予混合燃焼が行われるか否かは補助燃料の噴射量と噴射時期に依存している。そこで本発明では補助燃料の噴射量および噴射時期を噴射後一定時間以上経過したときに予混合燃焼が生じる噴射量および噴射時期に設定している。
【００２５】
一方、排気マニホルド１６内に供給されるＥＧＲガス量を増大することによっても補助燃料の噴射後ただちに予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じるのを回避することができる。即ち、ＥＧＲガスは比熱が大きいために熱の吸収能力が高く、従ってＥＧＲガス量を増大すると噴射燃料がなかなか着火温度まで上昇しなくなるために噴射直後に予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じなくなる。
【００２６】
本発明による実施例では２５パーセント以上のＥＧＲ率〔＝ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量）〕となるようにＥＧＲガスが供給されており、図２に示される補助燃料の噴射量Ｑａおよび図３に示される補助燃料の噴射開始時期θａはこのようにＥＧＲガスが供給されている状態で噴射後一定時間以上経過したときに予混合燃焼Ｃａが行われる噴射量および噴射開始時期に設定されている。
【００２７】
要求負荷Ｌが高くなると燃焼室５内の温度が高くなるために噴射後ただちに予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じやすくなる。そこで図３に示されるようにこのような予混合燃焼と拡散燃焼が生じないようにするために要求負荷Ｌが高くなるほど補助燃料の噴射量Ｑａが減少せしめられ、補助燃料の噴射開始時期θａが遅くされる。
【００２８】
一方、燃焼室５内の温度が高くなると主燃料の燃焼時期が遅くなっても主燃料は燃焼せしめられる。従って要求負荷Ｌが高くなるほど主燃料の噴射開始時期θｍは遅くされる。
図２に示される補助燃料の噴射量Ｑａは要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射量Ｑａは図６（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。一方、図２に示される主燃料の噴射量Ｑｍも要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射量Ｑｍも図６（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、補助燃料の噴射開始時期θａも要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射開始時期θａも図７（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、主燃料の噴射開始時期θｍも要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射開始時期θｍも図７（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、ＥＧＲ制御弁２３の開度ＥＧも要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、このＥＧＲ制御弁２３の開度ＥＧも図８に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００２９】
図９は運転制御ルーチンを示している。図９を参照するとまず初めにステップ５０において図６（Ａ）に示すマップから補助燃料の噴射量Ｑａが算出される。次いでステップ５１では図７（Ａ）に示すマップから補助燃料の噴射開始時期θａが算出される。次いでステップ５２では噴射量Ｑａおよび噴射開始時期θａ等に基づいて補助燃料の噴射完了時期Ｅθａが算出される。次いでステップ５３では図６（Ｂ）に示すマップから主燃料の噴射量Ｑｍが算出される。次いでステップ５４では図７（Ｂ）に示すマップから主燃料の噴射開始時期θｍが算出される。次いでステップ５５では噴射量Ｑｍおよび噴射開始時期θｍ等に基づいて主燃料の噴射完了時期Ｅθｍが算出される。次いでステップ５６では図８に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の開度ＥＧが算出される。
【００３０】
なお、図３および図４に示す実施例では補助燃料は一回のみ噴射される。しかしながら補助燃料を複数回に亘って噴射することもできる。
また、図１０に示すように機関の運転領域を低負荷側の運転領域Ｉと高負荷側の運転領域ＩＩに分割し、低負荷側の運転領域Ｉでは図３に示すように補助燃料と主燃料を噴射し、高負荷側の運転領域ＩＩでは従来より行われている燃焼を行うようにすることもできる。
【００３１】
【発明の効果】
ＮＯｘ および煤の発生量の少ないおだやかな燃焼を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】補助燃料および主燃料の噴射量を示す図である。
【図３】補助燃料および主燃料の噴射時期の代表例を示す図である。
【図４】熱発生率等を示す図である。
【図５】熱発生率の変化パターンを示す図である。
【図６】補助燃料の噴射量Ｑａ等のマップを示す図である。
【図７】補助燃料の噴射時期等のマップを示す図である。
【図８】ＥＧＲ制御弁の開度のマップを示す図である。
【図９】運転制御を行うためのフローチャートである。
【図１０】各運転領域Ｉ，ＩＩを示す図である。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮着火式内燃機関の燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮着火式内燃機関では圧縮上死点を過ぎてピストンが下降しだすと燃焼室内の温度は次第に低くなる。従って圧縮上死点後に燃料を噴射すると燃焼室内の温度が低いために噴射燃料はただちに着火せず、噴射燃料が燃焼室内に分散して燃料粒子からの燃料の蒸発作用が進行した後に着火せしめられる。このように噴射燃料が燃焼室内に分散して燃料の蒸発作用が進行すると燃料周りには十分な量の空気が存在するようになるのでこのような状態のもとで燃料が着火せしめられると煤の発生が抑制される。また、燃焼室内の温度が低下していくために燃料が着火せしめられても燃焼温度がさほど上昇せず、斯くしてＮＯｘ の発生が抑制される。この場合、燃料噴射時期を遅くすればするほど燃料が分散すると共に燃焼温度が低くなるので煤およびＮＯｘ の発生量は低下する。従って煤およびＮＯｘ の発生量を低下させるためには燃料噴射時期をできる限り遅くすることが好ましいことになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら燃料噴射時期を遅くすると燃焼室内の温度が低くなるために失火を生ずる。この場合、失火を生ずることなく噴射燃料を着火させることができれば煤およびＮＯｘ の発生量を大巾に低減できることになる。
本発明の目的は燃料噴射時期を遅らせても噴射燃料を着火することができ、ＮＯｘ および煤の発生を大巾に抑制することのできる圧縮着火式内燃機関を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために１番目の発明では、燃焼室内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁を具備し、補助燃料を噴射した後に主燃料を噴射するようにした圧縮着火式内燃機関において、補助燃料の噴射量および噴射時期を圧縮上死点後において補助燃料全体が予混合燃焼しうる噴射量および圧縮上死点付近の噴射時期に設定して補助燃料全体を圧縮上死点後に予混合燃焼させ、主燃料の噴射時期を補助燃料を噴射しなかった場合には燃焼不良又は失火を生じかつ補助燃料を噴射した場合には補助燃料の燃焼後に主燃料が燃焼不良又は失火を生じることなく燃焼せしめられる圧縮上死点後の噴射時期に設定して補助燃料の燃焼後に主燃料を燃焼させ、補助燃料の噴射時期および主噴射の噴射時期を共に要求負荷が高くなるほど遅らせるようにしている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１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は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１６および排気管１７を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン１８に連結され、排気タービン１８の出口は酸化触媒１９を内蔵した触媒コンバータ２０に連結される。
【０００８】
排気マニホルド１６とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。各燃料噴射弁６は燃料供給管２４を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２５に連結される。このコモンレール２５内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６から燃料が供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２５にはコモンレール２５内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２７が取付けられ、燃料圧センサ２７の出力信号に基づいてコモンレール２５内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２６の吐出量が制御される。
【０００９】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２７の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、ＥＧＲ制御弁２３および燃料ポンプ２６に接続される。
【００１０】
次に図２から図４を参照しつつ本発明による燃焼方法について説明する。
本発明による圧縮着火式内燃機関ではまず初めに補助燃料が噴射され、次いで主燃料が噴射される。図２は補助燃料の噴射量Ｑａと主燃料の噴射量Ｑｍを示している。なお、図１において横軸はアクセルペダル４０の踏込み量、即ち要求負荷を示している。図２に示されるように補助燃料の噴射量Ｑａは要求負荷Ｌにかかわらずに主燃料の噴射量Ｑｍよりも少ない。また、主燃料の噴射量Ｑｍは要求負荷Ｌが高くなるにつれて増大するのに対して補助燃料の噴射量Ｑａは要求負荷Ｌが高くなるにつれて減少する。
【００１１】
図３は或る機関回転数における補助燃料の噴射開始時期θａと噴射完了時期Ｅθａ、および主燃料の噴射開始時期θｍと噴射完了時期Ｅθｍの一例を示している。また、Ｃａは補助燃料の燃焼が行われるおおよその領域を示しており、Ｃｍは主燃料の燃焼が行われるおおよその領域を示している。なお、図３において縦軸Ｌは要求負荷を示しており、横軸はクランク角を示している。
【００１２】
図３に示されるように補助燃料は圧縮上死点ＴＤＣ付近において噴射され、噴射された補助燃料は噴射後一定時間以上経過した圧縮上死点後に燃焼せしめられる。また、主燃料は圧縮上死点後に噴射され、噴射された主燃料も噴射後一定時間以上経過した後に燃焼せしめられる。なお、補助燃料の噴射開始時期θａおよび主燃料の噴射開始時期θｍは要求負荷Ｌが高くなるほど遅くなる。図３に示される例では補助燃料の噴射開始時期θａはほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ２°からほぼ圧縮上死点後ＡＴＤＣ５°の間であり、主燃料の噴射開始時期θｍはほぼ圧縮上死点後ＡＴＤＣ６°からほぼ圧縮上死点後ＡＴＤＣ１８°の間である。
【００１３】
上述したように図３は或る機関回転数における噴射開始時期θａ，θｍおよび噴射完了時期Ｅθａ，Ｅθｍを示しており、従って機関回転数が変化するとそれに伴なって噴射開始時期θａ，θｍおよび噴射完了時期Ｅθａ，Ｅθｍは変化する。例えば機関回転数が高くなると噴射開始時期θａ，θｍが早められる。
図４は図示平均有効圧（以下、単に圧力という）ＰＭａおよび熱発生率ｄＱ／ｄθを示している。なお、図４において横軸はクランク角を示している。図４に示されるように燃焼室５内の圧力ＰＭａおよび熱発生率ｄＱ／ｄθは補助燃料の燃焼Ｃａおよび主燃料の燃焼Ｃｍが行われたときに上昇する。
【００１４】
一方、図５（Ａ）は予混合燃焼が行われた後に拡散燃焼が行われる場合の、熱発生率ｄＱ／ｄθの変化パターンを示しており、図５（Ｂ）は予混合燃焼のみが行われ、拡散燃焼が行われない場合の熱発生率ｄＱ／ｄθの変化パターンを示している。図４に示される補助燃料の燃焼Ｃａによる熱発生率ｄＱ／ｄθの変化パターンおよび主燃料の燃焼Ｃｍによる熱発生率ｄＱ／ｄθの変化パターンはいずれも図５（Ｂ）に示される変化パターンと同じであり、従って補助燃料および主燃料は共に予混合燃焼していることがわかる。
【００１５】
さて、冒頭で述べたように主燃料の噴射時期を遅らせば遅らすほど煤およびＮＯｘ の発生量が低下する。従って煤およびＮＯｘ の発生量を低下させるためには主燃料の噴射時期をできる限り遅らせることが好ましいことになる。しかしながら主燃料のみを噴射した場合、主燃料の噴射時期を遅らせていくと燃焼室５内の温度が低くなりすぎるために燃焼不良を生じ、更に噴射時期を遅らせると失火を生じることになる。しかしながらこのように主燃料の噴射時期を燃焼不良又は失火を生じる噴射時期まで遅らせた状態で主燃料を正常に、即ち燃焼不良又は失火を生じることなく燃焼せしめることができれば煤およびＮＯｘ の発生量を大巾に低減できることになる。
【００１６】
この場合、燃焼不良を生じる噴射時期よりも失火を生じる噴射時期は遅く、従って主燃料の噴射時期を失火の生じる噴射時期まで遅らせた状態で主燃料を正常に燃焼しうる場合の方が主燃料の噴射時期を燃焼不良の生じる噴射時期まで遅らせた状態で主燃料を正常に燃焼しうる場合に比べて煤およびＮＯｘ の発生量を低減することができる。
【００１７】
そこで本発明では主燃料の噴射時期を主燃料のみ噴射した場合には燃焼不良を生じる噴射時期まで、好ましくは失火を生じる更に遅い噴射時期まで遅くし、このように主燃料の噴射時期を遅くしても主燃料が正常に燃焼しうるように補助燃料を噴射するようにしている。
本発明による実施例では主燃料の噴射時期を遅くしても主燃料が正常に燃焼しうるように補助燃料を噴射すると燃焼室５内のほぼ全体に分布した多数の場所において同時に主燃料が着火せしめられ、ＮＯｘ および煤の発生量が極めて低くなる。この場合、なぜこのように多数の場所において同時に燃料が着火せしめられるかについては必ずしも明確ではないが次のような理由に基づいているものと考えられる。
【００１８】
即ち、主燃料のみを噴射した場合、主燃料の噴射時期が圧縮上死点から遅れれば遅れるほど燃料噴射時における燃焼室５内の温度は低くなり、燃焼室５内の圧力が低くなる。燃焼室５内の圧力が低くなると空気抵抗が小さくなるために燃料粒子は燃焼室５全体に分散し、また燃料粒子からの燃料の蒸発が促進される。従って燃料周りには十分な酸素が存在するようになる。一方、噴射燃料が分散する間に噴射燃料の温度は徐々に増大する。しかしながら燃焼室５内の温度が低いためにたとえ燃料周りに十分な酸素が存在していたとしても燃焼するには至らない。従ってこのままでは失火してしまうことになる。
【００１９】
ところが補助燃料を噴射すると補助燃料の燃焼熱によって燃焼室５内の温度が上昇する。その結果燃焼室５内に分散している主燃料の酸化反応が促進され、斯くして燃焼室５内の多数の場所において同時に燃焼が開始される。このように燃焼室５内の多数の場所において同時に燃焼が開始されると燃焼室５内の温度は全体的に低くなり、斯くしてＮＯｘ の発生量は極めて少なくなる。また、燃料の周りに十分な酸素が存在するようになったときに燃焼が開始されるので煤の発生量も極めて少量となる。またこのときの燃焼はおだやかであるために燃焼騒音がほとんど発生しなくなる。
【００２０】
このように補助燃料を噴射すると主燃料の燃焼は煤およびＮＯｘ の発生量が極めて少なくかつ燃焼騒音がほとんど発生しない燃焼となる。しかしながらこのように主燃料の燃焼が煤およびＮＯｘ の発生量が極めて少なくかつ燃焼騒音がほとんど発生しない燃焼となっても補助燃料の燃焼により多量の煤やＮＯｘ が発生したり、或いは燃焼騒音が発生したのでは何の意味もない。そこで本発明では補助燃料の燃焼も煤およびＮＯｘ がほとんど発生せずかつ燃焼騒音がほとんど発生しない燃焼となりかつ補助燃料の燃焼熱により主燃料の燃焼がひき起こされるように補助燃料全体をピストン４が下降を開始してから暫らくした後の圧縮上死点後において予混合燃焼せしめるようにしている。
【００２１】
即ち、多量の燃料を圧縮上死点付近で噴射すると噴射時に生成された予混合気が一気に燃焼せしめられ、次いで燃料液滴からの蒸発燃料の燃焼、即ち拡散燃焼が行われる。このときの熱発生率ｄＱ／ｄθの発生パターンは図５（Ａ）のようになる。しかしながら圧縮上死点付近で予混合気が一気に燃焼せしめられると燃焼圧が急上昇するために大きな燃焼騒音が発生し、また燃焼温が高くなるために多量のＮＯｘ が発生する。また、拡散燃焼が行われると液滴からの蒸発燃料が十分な空気と混合しないうちに燃焼せしめられ、斯くして多量の煤が発生する。従って補助燃料は拡散燃焼を行わせないように燃焼させる必要がある。
【００２２】
一方、燃料を圧縮上死点付近において噴射した場合でも噴射量が少ない場合には必ずしも噴射時に生成された予混合気が一気に燃焼しない。即ち、予混合気が一気に燃焼するのは予混合気の濃度が一定濃度以上になったときである。従って噴射量が少なく、噴射時に予混合気の濃度が一定濃度以上にならない場合には噴射時に予混合気が一気に燃焼することはない。一方、噴射後時間を経過するにつれて燃料粒子からの蒸発燃料量が増大し、従って全体的な予混合気量は増大する。しかしながら噴射後時間を経過するにつれて燃料粒子が分散するために予混合気の濃度は急激には上昇しない。
【００２３】
一方、噴射後時間を経過すればするほどピストン４が下降するために燃焼室５内の圧力は低くなり、燃焼室５内の温度が低くなる。燃焼室５内の圧力が低くなると空気抵抗が小さくなるために燃料粒子は燃焼室５全体に分散し、また燃料粒子からの燃料の蒸発が促進される。従って燃料周りには十分な酸素が存在するようになる。一方、噴射燃料が分散する間に噴射燃料の温度は徐々に増大し、噴射燃料の温度が着火温度に達すると燃焼が開始される。燃焼が開始されるころには噴射燃料の大部分は予混合気となっており、斯くしてこのとき予混合燃焼が行われることになる。このとき上述した如く燃料周りには十分な酸素が存在しており、従って煤はほとんど発生しない。また、燃焼室５内の圧力が急速に下降しているときに予混合燃焼が行われるために燃焼圧は急激に上昇せず、従って燃焼騒音がほとんど発生しない。また、予混合燃焼が開始されるころには燃焼室５内の温度が低くなっており、しかも燃焼圧が急激に上昇しないので燃焼温が低くなり、斯くしてＮＯｘ の発生量が極めて少なくなる。
【００２４】
従って補助燃料を圧縮上死点付近において噴射すると補助燃料が少い場合には噴射後一定時間以上経過したときに予混合燃焼が行われることになる。この場合、もし噴射後ただちに予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じてしまう場合には補助燃料の噴射時期を遅らせることによって噴射後ただちに予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じるのを回避することができる。即ち、噴射後一定時間以上経過したときに予混合燃焼が行われるか否かは補助燃料の噴射量と噴射時期に依存している。そこで本発明では補助燃料の噴射量および噴射時期を噴射後一定時間以上経過したときに予混合燃焼が生じる噴射量および噴射時期に設定している。
【００２５】
一方、排気マニホルド１６内に供給されるＥＧＲガス量を増大することによっても補助燃料の噴射後ただちに予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じるのを回避することができる。即ち、ＥＧＲガスは比熱が大きいために熱の吸収能力が高く、従ってＥＧＲガス量を増大すると噴射燃料がなかなか着火温度まで上昇しなくなるために噴射直後に予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じなくなる。
【００２６】
本発明による実施例では２５パーセント以上のＥＧＲ率〔＝ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量）〕となるようにＥＧＲガスが供給されており、図２に示される補助燃料の噴射量Ｑａおよび図３に示される補助燃料の噴射開始時期θａはこのようにＥＧＲガスが供給されている状態で噴射後一定時間以上経過したときに予混合燃焼Ｃａが行われる噴射量および噴射開始時期に設定されている。
【００２７】
要求負荷Ｌが高くなると燃焼室５内の温度が高くなるために噴射後ただちに予混合燃焼とそれに続く拡散燃焼が生じやすくなる。そこで図３に示されるようにこのような予混合燃焼と拡散燃焼が生じないようにするために要求負荷Ｌが高くなるほど補助燃料の噴射量Ｑａが減少せしめられ、補助燃料の噴射開始時期θａが遅くされる。
【００２８】
一方、燃焼室５内の温度が高くなると主燃料の燃焼時期が遅くなっても主燃料は燃焼せしめられる。従って要求負荷Ｌが高くなるほど主燃料の噴射開始時期θｍは遅くされる。
図２に示される補助燃料の噴射量Ｑａは要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射量Ｑａは図６（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。一方、図２に示される主燃料の噴射量Ｑｍも要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射量Ｑｍも図６（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、補助燃料の噴射開始時期θａも要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射開始時期θａも図７（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、主燃料の噴射開始時期θｍも要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射開始時期θｍも図７（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、ＥＧＲ制御弁２３の開度ＥＧも要求負荷Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、このＥＧＲ制御弁２３の開度ＥＧも図８に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００２９】
図９は運転制御ルーチンを示している。図９を参照するとまず初めにステップ５０において図６（Ａ）に示すマップから補助燃料の噴射量Ｑａが算出される。次いでステップ５１では図７（Ａ）に示すマップから補助燃料の噴射開始時期θａが算出される。次いでステップ５２では噴射量Ｑａおよび噴射開始時期θａ等に基づいて補助燃料の噴射完了時期Ｅθａが算出される。次いでステップ５３では図６（Ｂ）に示すマップから主燃料の噴射量Ｑｍが算出される。次いでステップ５４では図７（Ｂ）に示すマップから主燃料の噴射開始時期θｍが算出される。次いでステップ５５では噴射量Ｑｍおよび噴射開始時期θｍ等に基づいて主燃料の噴射完了時期Ｅθｍが算出される。次いでステップ５６では図８に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の開度ＥＧが算出される。
【００３０】
なお、図３および図４に示す実施例では補助燃料は一回のみ噴射される。しかしながら補助燃料を複数回に亘って噴射することもできる。
また、図１０に示すように機関の運転領域を低負荷側の運転領域Ｉと高負荷側の運転領域ＩＩに分割し、低負荷側の運転領域Ｉでは図３に示すように補助燃料と主燃料を噴射し、高負荷側の運転領域ＩＩでは従来より行われている燃焼を行うようにすることもできる。
【００３１】
【発明の効果】
ＮＯｘ および煤の発生量の少ないおだやかな燃焼を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】補助燃料および主燃料の噴射量を示す図である。
【図３】補助燃料および主燃料の噴射時期の代表例を示す図である。
【図４】熱発生率等を示す図である。
【図５】熱発生率の変化パターンを示す図である。
【図６】補助燃料の噴射量Ｑａ等のマップを示す図である。
【図７】補助燃料の噴射時期等のマップを示す図である。
【図８】ＥＧＲ制御弁の開度のマップを示す図である。
【図９】運転制御を行うためのフローチャートである。
【図１０】各運転領域Ｉ，ＩＩを示す図である。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
Claims (3)
- 燃焼室内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁を具備し、補助燃料を噴射した後に主燃料を噴射するようにした圧縮着火式内燃機関において、補助燃料の噴射量および噴射時期を圧縮上死点後において補助燃料全体が予混合燃焼しうる噴射量および圧縮上死点付近の噴射時期に設定して補助燃料全体を圧縮上死点後に予混合燃焼させ、主燃料の噴射時期を補助燃料を噴射しなかった場合には燃焼不良又は失火を生じかつ補助燃料を噴射した場合には補助燃料の燃焼後に主燃料が燃焼不良又は失火を生じることなく燃焼せしめられる圧縮上死点後の噴射時期に設定して補助燃料の燃焼後に主燃料を燃焼させ、補助燃料の噴射時期および主噴射の噴射時期を共に要求負荷が高くなるほど遅らせるようにした圧縮着火式内燃機関の燃焼方法。
- 補助燃料全体を予混合燃焼させるのに必要な量の再循環排気ガスを吸気通路内に供給するようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼方法。
- 主燃料の噴射量に比べて補助燃料の噴射量を少くするようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼方法。
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