JP4730264B2 - Premixed compression ignition internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、予混合圧縮着火内燃機関に関し、詳しくは、緩慢燃焼によってノッキングの発生を防止する技術に関する。 The present invention relates to a premixed compression ignition internal combustion engine, and more particularly to a technique for preventing the occurrence of knocking by slow combustion.
特許文献1には、2つの吸気ポートの一方にのみ排気を還流させることで、燃焼室内にEGR層と空気層とを形成し、前記EGR層と空気層との境界領域に燃料を噴射させることで、温度勾配の大きい境界領域から予反応が開始され、以後、温度勾配に従って順次自己着火が温度の低い領域に進んでいくことで、急激な燃焼を回避することが記載されている。
ところで、EGRガスは高温であるため反応促進効果がある一方で、EGRガスは不活性ガスであるため反応抑制効果を同時に有する。
このため、EGR層と空気層との境界領域に燃料を噴射させても、前記温度による反応促進効果が不活性ガスによる反応抑制効果で相殺されてしまい、温度成層による緩慢燃焼の効果を充分に得ることが困難であるという問題があった。
By the way, while EGR gas is high temperature, it has a reaction promoting effect, while EGR gas is an inert gas and has a reaction suppressing effect at the same time.
For this reason, even if fuel is injected into the boundary region between the EGR layer and the air layer, the reaction promotion effect due to the temperature is offset by the reaction suppression effect due to the inert gas, and the effect of slow combustion due to the temperature stratification is sufficiently obtained. There was a problem that it was difficult to obtain.
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、予混合圧縮着火内燃機関において、急激な燃焼によるノッキングの発生をより確実に防止することができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to more reliably prevent knocking due to rapid combustion in a premixed compression ignition internal combustion engine.
このため、本発明は、予混合圧縮着火内燃機関において、着火温度の異なる複数種の燃料によってそれぞれに形成される混合気が燃焼室内で、着火温度が相対的に低い燃料による混合気が、着火温度が相対的に高い燃料による混合気で囲まれるように層をなすようにしたことを特徴とする。 Therefore, the present invention provides a premixed compression ignition internal combustion engine in which an air-fuel mixture formed by a plurality of types of fuels having different ignition temperatures is in a combustion chamber, and an air-fuel mixture with a relatively low ignition temperature is ignited. A layer is formed so as to be surrounded by an air-fuel mixture having a relatively high temperature .
上記発明によると、着火温度が低い燃料によって形成される混合気から予反応が開始されて着火し、その後、着火温度が高い燃料によって形成される混合気における燃焼が行われるため、燃焼期間が延長され、ノッキングの発生を防止することができ、予混合圧縮着火を行わせることができる運転領域を高負荷側に拡大することが可能となる。 According to the above invention, a pre-reaction is started from an air-fuel mixture formed by a fuel having a low ignition temperature and ignition is performed, and thereafter combustion in the air-fuel mixture formed by a fuel having a high ignition temperature is performed, so that the combustion period is extended. Thus, the occurrence of knocking can be prevented, and the operating range in which premixed compression ignition can be performed can be expanded to the high load side.
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1及び図2は、第1実施形態における予混合圧縮着火内燃機関を示す。
図に示す内燃機関101は、各気筒に2つの吸気バルブ102a,102b及び2つの排気バルブ103a,103bが設けられる。
前記2つの吸気バルブ102a,102bは、2つの吸気ポート104a,104bの燃焼室105側の開放端をそれぞれに開閉するバルブであり、吸気カムシャフト106に設けられたカム107によって開閉駆動される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 show a premixed compression ignition internal combustion engine in the first embodiment.
The
The two
一方、前記排気バルブ103a,103bは、2つの排気ポート108a,108bの燃焼室105側の開放端をそれぞれに開閉するバルブであり、排気カムシャフト109に設けられたカム110によって開閉駆動される。
前記燃焼室105を形成するシリンダヘッド111の中央には、第1燃料噴射弁112及び点火プラグ113が配置されている。
On the other hand, the
In the center of the
前記第1燃料噴射弁112には、吸気カムシャフト106によって駆動される高圧ポンプ114で昇圧された高い圧力の燃料が供給される。
尚、前記高圧ポンプ114には、図示省略した燃料タンク内の燃料(ガソリン)が電動式の低圧ポンプによって供給される。
一方、前記2つの吸気ポート104a,104bのうちの一方の吸気ポート104aの上流側には、第2燃料噴射弁115が設けられ、該第2燃料噴射弁115には、前記低圧ポンプによって燃料が供給される。
The first
The high-
On the other hand, a second
また、前記吸気ポート104aの第2燃料噴射弁115が設置される部分よりも下流側には、バイパス通路116が設けられ、該バイパス通路116には、燃料改質装置としての触媒117が介装されている。
前記触媒117は、前記ロジウムやセリア、或いは、プラチナ等の貴金属を担体に担持させた酸化触媒である。
Further, a
The
前記バイパス通路116の入り口側には、バイパス通路116の入り口を閉じて空気を吸気ポート104a側にのみ流す状態と、吸気ポート104aを閉じて空気をバイパス通路116側にのみ流す状態とに切り換える吸気コントロールバルブ118(切り換え手段)が設けられている。
前記吸気コントロールバルブ118は、図示省略したモータ等のアクチュエータで駆動される。
On the inlet side of the
The
また、前記触媒117が設けられるバイパス通路116の近傍を排気管119が延設されるようにし、前記触媒117が設けられるバイパス通路116と近傍の排気管119との間で熱交換を行う熱交換器120が設けられる。
前記熱交換器120は、排気熱で触媒117を加熱する加熱手段である。
前記熱交換器120が設けられる部分よりも上流側の排気管119からは、排気バイパス通路121が分岐延設され、該排気バイパス通路121は、前記熱交換器120が設けられる部分よりも下流側の排気管119に合流する。
Further, an
The
An
前記排気バイパス通路121の入り口部には、排気バイパス通路121に流れる排気の流量と排気バイパス通路121に流入することなく排気管119をそのまま流れる排気の流量との割合を制御する排気コントロールバルブ122が設けられている。
前記排気コントロールバルブ122によって熱交換器120に流入する排気の流量を制御することで、熱交換器120による触媒117の加熱量が制御される。
At the entrance of the
By controlling the flow rate of the exhaust gas flowing into the
ところで、一般的に、ガソリンのオクタン価と着火温度との間には、図3に示すように、オクタン価が低下するに従って着火温度が低下する特性がある。
一方、前記触媒117によってガソリンを酸化(改質)させると、オクタン価を低下させることになって、触媒117通過後のガソリン(改質後のガソリン)は、触媒117通過前(改質前)のガソリンに対して着火温度がより低下することになる(図3参照)。
By the way, generally, between the octane number and the ignition temperature of gasoline, as shown in FIG. 3, there is a characteristic that the ignition temperature decreases as the octane number decreases.
On the other hand, when gasoline is oxidized (reformed) by the
前記第1,第2燃料噴射弁112,115には、共通の燃料タンクから供給される同じ種類(同じオクタン価)の燃料(ガソリン)が供給されるものの、第1燃料噴射弁112からは燃料が直接燃焼室内に噴射されるが、吸気コントロールバルブ118によって空気がバイパス通路116側に流れる状態にすると、第2燃料噴射弁115から噴射された燃料は途中で触媒117によって改質されてから燃焼室内に吸引されることになる。
The first and second
ここで、前記第2燃料噴射弁115から噴射され途中で着火温度(オクタン価)を低下させる改質が行われた燃料は、吸気行程において燃焼室105内に吸引されることになり、例えば、前記第1燃料噴射弁112による燃料噴射も吸気行程で行わせるようにすることで、図4に示すように、改質によって着火温度が低下した燃料による混合気が、改質されていない着火温度が相対的に高い燃料による混合気で囲まれるように、燃焼室105内に混合気層を形成させることができる。
Here, the fuel that is injected from the second
即ち、着火温度の異なる2つの燃料によってそれぞれに形成される混合気が、圧縮行程において燃焼室105内で層をなすようにする。
前記2つの混合気層のうち着火温度が低い燃料による混合気層(中央の混合気層)から予反応が開始され、係る圧縮燃焼の初期段階における発熱量はノッキングを起こすほど大きくはならず、改質された燃料の着火後に、周囲の改質されていない燃料による混合気層での燃焼が開始されることになるため、燃焼室105内に均一な燃料によって均一混合気を形成する場合に比べて、燃焼期間を延長でき、ノッキングを回避することが可能である(図5参照)。
That is, the air-fuel mixture formed by two fuels having different ignition temperatures forms a layer in the
The pre-reaction is started from the gas mixture layer (middle gas mixture layer) with the fuel having a low ignition temperature among the two gas mixture layers, and the calorific value in the initial stage of the compression combustion is not so large as to cause knocking, When the reformed fuel is ignited, combustion in the air-fuel mixture layer is started by the surrounding non-reformed fuel. Therefore, when a uniform air-fuel mixture is formed with uniform fuel in the
ここで、前記第1,第2燃料噴射弁112,115、吸気コントロールバルブ118、排気コントロールバルブ122及び点火プラグ113の各動作は、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット130によって制御される。
前記コントロールユニット130には、アクセル開度(要求負荷)を検出するアクセル開度センサ131、機関回転速度を検出する回転センサ132、機関の冷却水温度を検出する水温センサ133などからの検出信号が入力される。
Here, the operations of the first and second
The
そして、前記コントロールユニット130は、図6のフローチャートに示すようにして、前記機関101の燃焼を制御する。尚、機関101の負荷は、投入する燃料量によって制御されるものとする。
図6のフローチャートにおいて、ステップS101では、機関負荷や機関回転速度などの機関運転状態の読み込みを行う。
The
In the flowchart of FIG. 6, in step S101, the engine operating state such as the engine load and the engine speed is read.
ステップS102では、燃焼パターンの判定を行う。
本実施形態の機関101は、図7に示すように、予混合圧縮着火燃焼を行わせる運転領域と火花点火燃焼を行わせる運転領域とが、機関負荷と機関回転速度とに応じて予め設定されており、中負荷・中回転域で予混合圧縮着火燃焼を行わせるようになっている。
前記ステップS102では、そのときの機関負荷及び機関回転速度が、図7に示す予混合圧縮着火燃焼領域と火花点火燃焼領域とのいずれに該当しているかを判別する。
In step S102, the combustion pattern is determined.
In the
In step S102, it is determined whether the engine load and engine speed at that time correspond to the premixed compression ignition combustion region or the spark ignition combustion region shown in FIG.
ここで、現在の機関負荷及び機関回転速度が火花点火燃焼領域に該当すると判断されると、ステップS103へ進み、前記吸気コントロールバルブ118を、前記バイパス通路116の入り口を閉じる位置に駆動制御した後、ステップS104へ進み、火花点火制御を行う。
前記ステップS104における火花点火制御においては、第2燃料噴射弁115からの燃料噴射を停止させる一方、前記第1燃料噴射弁112による燃料噴射を吸気行程又は圧縮行程において行わせ、燃焼室105内に予混合された燃料を、点火プラグ113による火花点火で着火燃焼させる。
Here, if it is determined that the current engine load and engine speed fall within the spark ignition combustion region, the process proceeds to step S103, and the
In the spark ignition control in step S104, the fuel injection from the second
一方、ステップS102で、現在の機関負荷及び機関回転速度が予混合圧縮着火燃焼領域に該当すると判断されると、ステップS105へ進む。
ステップS105では、触媒117の温度が活性温度になっているか否かを判断する。
例えば、冷却水温度が閾値を超えている場合に、触媒117の温度が活性温度に達していると推定でき、また、触媒117の温度を検出するセンサを備え、該センサで触媒117の温度を直接的に検出させても良い。
On the other hand, if it is determined in step S102 that the current engine load and engine speed correspond to the premixed compression ignition combustion region, the process proceeds to step S105.
In step S105, it is determined whether or not the temperature of the
For example, when the cooling water temperature exceeds a threshold, it can be estimated that the temperature of the
機関101の始動から暖機が完了するまでは、前記排気コントロールバルブ122を排気バイパス通路121に排気が流れることがないように制御することで、触媒117が熱交換器120を介して加熱され、活性温度に早期に到達するようにする。
活性後の火花点火燃焼状態では、引き続き前記排気コントロールバルブ122を排気バイパス通路121に排気が流れることがないように制御しても良いし、後述する図9に示す特性に従って、そのときの機関負荷・機関回転速度に応じた目標温度になるように、前記排気コントロールバルブ122の開度(排気バイパス通路121に逃がす排気流量)を制御しても良い。
From the start of the
In the spark ignition combustion state after activation, the
触媒117が活性温度に達していない場合には、触媒117を用いた燃料(ガソリン)の改質が行えないので、ステップS106へ進み、第2燃料噴射弁115からの燃料噴射を停止させる一方で、前記第1燃料噴射弁112による燃料噴射を吸気行程又は圧縮行程において行わせ、圧縮自己着火燃焼させる。
また、触媒117が活性温度に達していると判断されると、ステップS107へ進む。
If the
When it is determined that the
ステップS107では、吸気コントロールバルブ118を、前記バイパス通路116の入り口を開いて第2燃料噴射弁115から噴射された燃料が触媒117に導入されるようにする一方、改質燃料の噴射割合制御及び触媒温度の制御を行う。
前記改質燃料の噴射割合制御とは、要求燃料量のうち前記第2燃料噴射弁115から噴射させる燃料の割合であり、換言すれば、前記第2燃料噴射弁115から噴射させ触媒117で改質させることで着火温度を低下させた燃料の割合である。
In step S107, the
The reformed fuel injection ratio control is the ratio of the fuel to be injected from the second
前記改質燃料の噴射割合は、図8に示すように、予め機関負荷(アクセル開度)と機関回転速度とに応じて決定されており、機関回転速度が高く機関負荷が低いほど大きな値に設定される。
機関101の低負荷時には、機関101に対する投入燃料量が少なく空燃比としてリーンになり、燃料投入量が多く空燃比としてリッチとなる高負荷時に比べて、燃焼不安定になり易い。
As shown in FIG. 8, the injection ratio of the reformed fuel is determined in advance according to the engine load (accelerator opening) and the engine speed, and increases as the engine speed increases and the engine load decreases. Is set.
When the
そこで、低負荷時には、燃焼安定性を向上させるべく、着火温度の低い改質燃料の割合を増やす。
また、機関回転速度が高いときには、触媒117における反応に必要な時間が確保できなくなるため、着火温度の低い改質燃料の割合を増やすことで、燃焼安定性を向上させる。
Therefore, at low loads, the proportion of reformed fuel having a low ignition temperature is increased in order to improve combustion stability.
Further, when the engine speed is high, the time required for the reaction in the
一方、前記触媒温度の制御とは、排気コントロールバルブ122の開度(排気バイパス通路121に逃がす排気流量)を制御して、触媒117の温度を目標温度に制御するものである。
ここで、触媒117の目標温度は、図9に示すように、予め機関負荷(アクセル開度)と機関回転速度とに応じて決定されており、機関回転速度が高く機関負荷が低いほど高い温度に設定される。
On the other hand, the control of the catalyst temperature is to control the temperature of the
Here, as shown in FIG. 9, the target temperature of the
触媒117は、その温度が高いほど改質(酸化)できる燃料量が増加するから、改質燃料の噴射割合を多くする高回転・低負荷領域で、目標温度を高くして(加熱量を多くして)改質(酸化)できる燃料量を多くし、燃焼安定性を確保できるようにする。
ステップS108では、そのときのアクセル開度及び前記改質燃料割合に基づいて、第1燃料噴射弁112から噴射させる燃料量と、第2燃料噴射弁115から噴射させる燃料量とを決定し、各燃料噴射弁112,115から燃料を噴射させることで、着火温度の異なる2つの燃料によってそれぞれに形成される混合気が燃焼室105内で層をなすようにし、前記着火温度の違いによって2段階に圧縮自己着火燃焼を行わせる。
Since the amount of fuel that can be reformed (oxidized) increases as the temperature of the
In step S108, the amount of fuel injected from the first
即ち、前記2つの混合気層のうち着火温度が低い燃料による混合気層から予反応が開始して燃焼し、改質された燃料の着火後に、更に温度が上がることで改質されていない燃料を圧縮自己着火燃焼に至らしめる(図5参照)。
従って、急激な燃焼が行われず、燃焼期間の長い緩慢な燃焼を実現でき、これによってノッキングの発生を防止できるから、圧縮自己着火燃焼領域を高負荷側に拡大することが可能となる。
That is, the fuel that has not been reformed because the pre-reaction starts from the fuel mixture layer with the low ignition temperature of the two gas mixture layers and burns, and after the reformed fuel is ignited, the temperature further rises To compression self-ignition combustion (see FIG. 5).
Therefore, since the rapid combustion is not performed and the slow combustion with a long combustion period can be realized, and the occurrence of knocking can be prevented, the compression self-ignition combustion region can be expanded to the high load side.
尚、触媒117の加熱を、熱交換器120による排気熱の利用によって行わせたが、ヒータを触媒117の加熱手段として設け、該ヒータへの電力供給を制御することで、加熱量を制御させることができる。
ところで、第2燃料噴射弁115から噴射された燃料を改質させる代わりに、燃料改質装置(触媒)で改質された燃料を、第2燃料噴射弁115から噴射させることができ、係る構成とした第2実施形態を、図10及び図11に示す。
Although the
By the way, instead of reforming the fuel injected from the second
尚、図10及び図11において、図1及び図2と同一要素には、同一符号を付してある。
図10及び図11に示すように、第2実施形態では、第1実施形態において備えられていたバイパス通路116、吸気コントロールバルブ118、排気コントロールバルブ122、排気バイパス通路121が省略されている。
10 and 11, the same elements as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
As shown in FIGS. 10 and 11, in the second embodiment, the
そして、前記触媒117に代えて、第2燃料噴射弁115の上流側に燃料改質装置(触媒)141を設け、第2燃料噴射弁115が燃料改質装置(触媒)141で改質(酸化)された燃料を吸気ポート104a内に噴射するようにしてある。
前記燃料改質装置(触媒)141の加熱は、第1実施形態のように、排気との間で熱交換を行う熱交換器を用いることができると共に、ヒータを用いても良く、第1実施形態と同様に機関負荷・機関回転速度に応じて加熱量を制御させることができる。
In place of the
The fuel reformer (catalyst) 141 can be heated using a heat exchanger that exchanges heat with the exhaust as in the first embodiment, and a heater may be used. The heating amount can be controlled in accordance with the engine load and the engine rotation speed in the same manner as the embodiment.
また、前記第1,第2燃料噴射弁112,115による噴射割合も、第1実施形態と同様に、機関負荷・機関回転速度に応じて制御させ、第2燃料噴射弁115から噴射される改質燃料(着火温度の低い燃料)で形成される混合気層を燃焼室105の中央に配設し、その周囲を囲むように、改質されていない燃料(着火温度が高い燃料)で形成させる混合気層を配設し、燃焼室105内に着火温度の異なる燃料による混合気層で成層化する。
In addition, the injection ratios by the first and second
上記構成によると、予め改質された燃料を燃料噴射弁から噴射させるので、改質された燃料による混合気形成を安定的に行わせることができる。
上記のように、予め改質された燃料を燃料噴射弁から噴射させる場合には、燃焼室105に直接燃料を噴射する第1燃料噴射弁112が、燃料改質装置(触媒)141で改質された燃料を噴射し、吸気ポート104a内に噴射する第2燃料噴射弁115が改質前の燃料を噴射する構成とすることができる。
According to the above configuration, since the fuel reformed in advance is injected from the fuel injection valve, the air-fuel mixture can be stably formed by the reformed fuel.
As described above, when fuel that has been reformed in advance is injected from the fuel injection valve, the first
この場合、第1燃料噴射弁112による燃料噴射を圧縮行程で行わせる一方で、第2燃料噴射弁115による燃料噴射を吸気行程で行わせることで、改質燃料(着火温度の低い燃料)で形成される混合気層を燃焼室105の中央に配設し、その周囲を囲むように、改質されていない燃料(着火温度が高い燃料)で形成させる混合気層を配設することができる。
In this case, while the fuel injection by the first
更に、燃料の搬送経路の途中で改質を行わせるのではなく、燃料改質装置で改質した燃料若しくはガソリンスタンドなどで外部から補給される低オクタン価の燃料を貯留する第1燃料タンクと、改質前の燃料若しくはガソリンスタンドなどで外部から補給される高オクタン価の燃料を貯留する第2燃料タンクとを備え、第1,第2燃料噴射弁112,115の一方が、前記第1燃料タンク内の燃料を噴射し、第1,第2燃料噴射弁112,115の他方が、前記第2燃料タンク内の燃料を噴射する構成とすることができる。
A first fuel tank for storing a fuel reformed by a fuel reformer or a low-octane fuel replenished from the outside at a gas station, etc., instead of reforming in the middle of a fuel conveyance path; And a second fuel tank that stores high-octane fuel that is replenished externally at a fuel station or the like before reforming, and one of the first and second
また、燃料の改質処理には、触媒による酸化処理の他、沸点の違いによる分留や、添加剤の投入など、着火温度を変化させることが可能な公知の処理が含まれる。
そして、改質によって改質前よりも高オクタン価で着火温度の高い燃料を生成し、この改質によって得られた高オクタン価の燃料と、改質前の低オクタン価で着火温度の低い燃料とを用いて混合気層を形成させることができ、また、改質によって、改質前よりも高オクタン価で着火温度の高い燃料と、改質前よりも低オクタン価で着火温度の低い燃料とを同時に生成させることもできる。
Further, the fuel reforming process includes a known process capable of changing the ignition temperature, such as a fractional distillation based on a difference in boiling point and addition of an additive, in addition to an oxidation process using a catalyst.
Then, reformation produces a fuel with a higher octane number and higher ignition temperature than before reforming, and uses a fuel with a higher octane number obtained by this reforming and a fuel with lower octane number and lower ignition temperature before reforming. In addition, the reforming can simultaneously generate a fuel having a higher octane number and higher ignition temperature than before the reforming and a fuel having a lower octane number and lower ignition temperature than before the reforming. You can also.
更に、燃焼室105内に直接燃料を噴射する第1燃料噴射弁と、同じく燃焼室105内に直接燃料を噴射する第2燃料噴射弁とを備え、これらの燃料噴射弁から相互に着火温度の異なる燃料を、例えば、吸気行程と圧縮行程とにおいてそれぞれ噴射させることで、着火温度の異なる混合気層を形成させることが可能である。
また、着火温度が相互に異なる燃料を3種類以上用意し、混合気層を3層以上形成させることも可能である。
Furthermore, a first fuel injection valve that directly injects fuel into the
It is also possible to prepare three or more kinds of fuels having different ignition temperatures and to form three or more gas mixture layers.
101…内燃機関、102a,102b…吸気バルブ、103a,103b…排気バルブ、104a,104b…吸気ポート、105…燃焼室、112…第1燃料噴射弁、113…点火プラグ、114…高圧ポンプ、115…第2燃料噴射弁、116…バイパス通路、117…触媒(燃料改質装置)、118…吸気コントロールバルブ(切り換え手段)、120…熱交換器、121…排気バイパス通路、122…排気コントロールバルブ、130…コントロールユニット、141…燃料改質装置
DESCRIPTION OF
Claims (1)
機関回転速度が高いほど、または、機関負荷が低いほど、加熱量を多くするように前記燃料改質装置を加熱する加熱手段と、
を備え、
着火温度が異なる、前記燃料改質装置で改質された燃料と、前記燃料改質装置で改質される前の燃料と、によってそれぞれに形成される混合気が燃焼室内で層をなすことを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。 A fuel reformer;
Heating means for heating the fuel reformer so as to increase the amount of heating as the engine rotational speed is higher or the engine load is lower;
With
The mixture formed by the fuel reformed by the fuel reformer having different ignition temperatures and the fuel before reformed by the fuel reformer forms a layer in the combustion chamber. A premixed compression ignition internal combustion engine.
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