JP3820750B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合圧縮着火方式を採用したディーゼルエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンでは、通常、圧縮行程の上死点近傍で燃料（軽油）を噴射させて、同燃料を圧縮熱で燃焼させるという、ディーゼル燃焼が行われている。このディーゼル燃焼は、燃料が燃えるまでの時間がかなり短いために、ＮＯｘ、黒煙が多く発生しやすい。
【０００３】
こうしたＮＯｘ、黒煙を低減させるためには、例えば混合ガスを希薄にしてリーン燃焼させればよいことがわかってきた。
そこで、この希薄燃焼を実現させるべく、近年、予混合圧縮着火方式を採用したディーゼルエンジンが提案されてきた。
【０００４】
同エンジンの予混合圧縮着火方式は、早期に筒内に燃料を噴射し、時間をかけて燃料を筒内の空気にまぜて、筒内全体を均一な希薄混合気にしてから燃焼させようとするものである。具体的には、予混合圧縮着火燃焼は、例えば圧縮行程の初期に燃料を筒内に噴射し、同燃料を圧縮行程で気化混合させ、同圧縮行程の終わりで燃料予混合気を自着火させようとするものである
ところが、予混合圧縮着火燃焼は、均一な希薄混合気を確保して始めて成立する燃焼なので、筒内の空気過剰率λが大きなときの運転、すなわち低・中負荷という、限られたエンジン負荷の運転のときだけしか行えない。
【０００５】
そこで、この対策として２段噴射を採用したディーゼルエンジンが提案されている（特開平９―１５８８１０号公報）。
これは、エンジンの運転全域で、吸入行程の初期に、予備噴射と称して燃料を１度噴射して希薄混合気を形成し、続く圧縮行程の上死点付近（近傍）で主噴射と称して再度燃料を噴射させて、低負荷、中負荷、高負荷のいずれでも希薄混合気が形成される運転を可能としたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上死点近傍で噴射された燃料は、先に述べたように高濃度から理論空燃比の付近で燃焼するために、必ずＮＯｘ、黒煙の増大を伴う。
このため、上記２段噴射式のディーゼルエンジンだと、上死点近傍で行われる主噴射が、予混合圧縮着火燃焼の利点、すなわち低・中負荷で発揮する低ＮＯｘ、低黒煙に優れた燃焼を損なってしまう。しかも、予備噴射による希薄混合気の形成は、逆にディーゼル燃焼の利点を損なう結果ともなるので、高負荷時には高出力が確保しにくく、排気ガス性能、出力特性のいずれの点で良いものとはいえなかった。こうした点の改善が求められている。
【０００７】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、予混合圧縮着火燃焼の効果、ディーゼル燃焼の効果の双方が十分に発揮し得るディーゼルエンジンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載したディーゼルエンジンは、燃料噴射ノズルの先端に設けられ、所定の燃料噴射角度をもって燃料を燃料室に噴射可能な第１の噴孔と、第１の噴孔の近傍に配設され、燃料を上方から下方に向けて噴射して第１の噴孔から噴射された燃料に衝突させる第２の噴孔と、低・中負荷時に吸入工程の初期から圧縮工程の中期までの間で前記第１の噴孔と第２の噴孔から同時に燃料を噴射する早期噴射と、高負荷時に圧縮工程の上死点近傍で前記第１の噴孔のみから燃料を噴射する通常噴射とを切り替える切替手段とを有して、低・中負荷時では、低NOx、低黒燃焼をもたらす予混合圧縮着火燃焼だけを行い、高負荷時では、高い出力が確保されるディーゼル燃焼だけを行い、予混合圧縮着火燃焼の効果とディーゼル燃焼の効果とが十分に発揮されるようにしたことにある。
【０００９】
請求項２に記載のディーゼルエンジンは、さらに予混合圧縮着火燃焼とディーゼル燃焼とがスムーズに切替えられるよう、早期噴射と通常噴射との切り替えを、１サイクル中に早期噴射と通常噴射との双方を行う多段噴射を経由して行うようにしたことにある。
【００１０】
請求項３に記載のディーゼルエンジンは、さらに簡単な制御で、早期噴射と通常噴射との切り替えが行われるよう、早期噴射と通常噴射との切り替えを、エンジンの筒内平均空気過剰率にしたがって行うようにしたことにある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１ないし図４に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は本発明を適用したディーゼルエンジンの燃料噴射ノズル回りを示し、図中１はシリンダヘッド２に装着された噴霧ノズル（本願の燃料噴射部に相当）である。
【００１２】
この噴霧ノズル１には、早期噴射に適した噴霧パターン、通常噴射に適した噴霧パターンといった２種類の異なる噴霧パターンで、燃料（軽油）の噴霧が可能な可変噴霧ノズルが用いてある。
【００１３】
この噴霧ノズル１の構造について説明すれば，図中３はノズルボディである。ノズルボディ３は、上側に大径な筒部３ａを有し、下側に小径な筒部３b を有して形成してある。そして、小径な筒部３ｂの下端部が、シリンダヘッド２の下面からシリンダ内に臨んでいる。
【００１４】
このノズルボディ３内の空間で形成されている針弁室５には、大小２種類の針弁を同心状に組み合わせた針弁部６が上下方向に摺動自在に収められている。この針弁部６には、針状の内側針弁７と、この内側針弁７の外周面に摺動自在に嵌挿された有底筒状の外側針弁８とを組み合わせた構造を用いてある。
【００１５】
具体的には、外側針弁８は、大径な筒部３a 内に収まる大径軸部８ａと小径な筒部３b 内に収まる小径軸部８ｂとを有し、両軸部８ａ、８ｂとの境界部には円錐面８ｃが形成され、先端部が半球状に形成された有底筒形状をなしている。また半球状部８ｄの基部側には、複数個の噴孔、例えば６個の噴孔８ｅが周方向に所定の間隔で形成してある。そして、この半球状部８ｄが小径な筒部３ｂの下端から突き出ている。なお、小径軸部８ｂの直線部分の外径は、半球状部８ｄの外径より大きくしてある。また小径軸部８ｂの直線部分を形成する外周面には、上記半球状部８ｄの噴孔位置と対応して、それぞれ軸方向に延びるスリット状の溝部９が周方向沿いに並行に形成されている。各溝部９上端部は、円錐面８ｃまで延びている。そして、各溝部９の上端部が、円錐面８ｃを用いたシート部、すなわち円錐面８ｃとこれと接離するシール面１１とを組み合わせて構成される外側シート部１２、その直上に形成してある受圧面１３を囲むよう大径な筒部３ａの内面に形成された油溜り部１４、さらに大径な筒部３ａの周壁に形成された通路１６を介して、燃料圧送部（図示しない）と連通している。また各溝部９の下端部（先端部）は、小径な筒部３ｂの先端( 下端) からシリンダ内に開口し、噴孔１７を形成している。そして、外側針弁８は、同外側針弁８を開閉動（上下動）させる開弁機構部１８( 例えば燃料圧を利用して開弁させる機構）に接続され、同機構部１８で行われる外側針弁８の開弁により、筒部端面の噴孔１７から燃料が噴射できるようにしてある。
【００１６】
内側針弁７は、大径軸部８ａ内に収まる太軸部７ａと、小径軸部８ｂ内に収まる細軸部７ｂとを有した針状をなしている。細軸部７ｂの先端部（下端）には、噴孔１７上流側の小径軸部８ｂの内面部分に形成してある円錐状のシール面１９と組み合う円錐面７ｃが形成されていて、同部分には内側シート部２０を構成している。そして、この内側シート部２０は、細軸部７ｂの外周面と小径軸部８ｂの外周面との間に形成されている通路２１、その通路端の直上に形成してある受圧部２２を囲むよう大径軸部８ａの内面に形成された油溜り部２３、大径軸部８ａの外周面に形成されている中継用の環状溝２４、さらに大径な筒部３ａの周壁に形成された通路２５を介して、上記燃料圧送部（図示しない）と連通している。そして、内側針弁７も上記開弁機構部１８に接続され、同機構部１８で行われる内側針弁７の開弁により、外側針弁８の先端の噴孔８ｅから燃料を噴射できるようにしてある。
【００１７】
そして、各噴孔８ｅから横方向へ噴射される燃料によって、図１中のXで示されるように圧縮行程の上死点近傍に達したピストン上面のキャビティ２６（燃焼室を形成する部分）内へ良好に燃料が噴霧されるようにしてある。つまり、通常のディーゼル燃焼に適した噴射が行われるようになっている（通常噴射）。また各噴孔８ｅから横方向へ噴射される燃料に各噴孔１７から下方向へ噴射される燃料を衝突させるという、衝突噴射によって、吸入行程の初期から圧縮行程の中期までの間を用いて、図１中のYに示されるような予混合圧縮着火燃焼に適した燃料の噴霧が行われるようにしてある（早期噴射）。具体的には、横方向の噴射流に下方向の噴射流を衝突させると、シリンダヘッド２の下面に燃料が付着せず、かつ低貫徹力で、燃料の微細化が促進されながら．上死点から離れた地点にあるピストン２７のキャビティ２６へ向かう最適な噴霧角で噴霧が行われるようになる。
【００１８】
これにより、１本の可変式の噴霧ノズル１で、それぞれ異なる噴霧特性をもつ２種類の噴霧パターンで、予混合圧縮着火燃焼に最適な早期噴射と、ディーゼル燃焼に最適な通常噴射とが最適に行えるようにしてある。
【００１９】
また噴霧ノズル１の開弁機構部１８には、コントローラ２８（例えばマイクロコンピュータよりなる）が接続され、同コントローラ２８により、開弁機構部１８を制御して、低・中負荷時（低温始動時を除く）には早期噴射が行われ、高負荷時には通常噴射が行われるようにしてある。この早期噴射と通常噴射との切り替えには、ディーゼルエンジンの筒内平均空気過剰率を用いて切替える制御が採用されている。具体的には、コントローラ２８には、例えばディーゼルエンジンの回転数、同じく燃料噴射量、同じく吸気温度、同じく吸気圧力から筒内平均空気過剰率を算出する機能と、エンジンの低・中負荷域と高負荷域とで噴霧パターンを切替えるための例えば燃料性状などを考慮した空気過剰率値から定めた噴射パターン切替設定λ値と、同設定λ値をディーゼルエンジンのＥＧＲ率で補正する機能とが設定されている。またコントローラ２８には、補正した噴射パターン切替設定λ値と、算出された筒内平均空気過剰率との対比により、低・中負荷時には早期タイミングの噴射、例えば圧縮行程中期での噴射( 早期噴射）に切り替え、高負荷時には圧縮行程の上死点近傍だけの噴射である通常噴射に切替える機能とが設定してある。これにより、低・中負荷において予混合圧縮着火燃焼が行われ、高負荷において通常のディーゼル燃焼が行われるようにしている。またコントローラ２８には、低・中負荷時の早期噴射と高負荷時の通常噴射との切替えの際、１サイクル中に例えば上記早期噴射と上記通常噴射との双方を用いた多段噴射を経由してから切替えを行う機能が設定されている。この機能にて、予混合圧縮着火燃焼からディーゼル燃焼へ、ディーゼル燃焼から予混合圧縮着火燃焼へのいずれの燃焼でもクッションとなる多段燃焼を介在させてから移行させるようにしてある。
【００２０】
こうした早期噴射／通常噴射に切替える制御が図２のフローチャートに示されている。
つぎに、同フローチャートにもとづいて噴射パターンの切換えを説明する。
【００２１】
ディーゼルエンジンの運転中、コントローラ２８は、ステップＳ１に示されるようにエンジン回転数、燃料噴射量、吸気温度、吸気圧力を読み取り、続くステップＳ２でこれら検出値を用いて筒内平均空気過剰率を算出する。
【００２２】
一方、ステップＳ３では、予め燃料性状などから設定してある、噴射パターンを切替えるための筒内平均空気過剰率λ値、具体的には噴射パターン切替設定値α，βを読み込み、これら設定値α、βを現在のエンジンのＥＧＲ率で補正する。
【００２３】
ここで、設定値αはエンジンの低・中負荷と高負荷との境を規定する閾値であり、設定値βは燃焼の切換えを滑らかに行う多段噴射の領域を規定する閾値であり、続くステップＳ４，５で、これら閾値α，βと先の算出された筒内平均空気過剰率λとが対比されていく。
【００２４】
そして、筒内平均空気過剰率λと閾値α，βとを対比した結果、算出した筒内平均空気過剰率λが閾値αより高く、ディーゼルエンジンが低・中負荷と判定されると、コントローラ２８は、ステップＳ４からステップＳ６へ進み、開弁機構部１８を制御して、例えば図３（ａ）に示されるように内側針弁７と外側針弁８との双方を圧縮行程の中期で開弁させる。これにより、燃料は、噴霧ノズル１の先端部から衝突噴射、具体的には各噴孔８ｅ，１７から噴射される燃料が互いに衝突して予混合圧縮着火燃焼に最適な噴霧パターンを形成しながら筒内へ噴射される。
【００２５】
これにより、低・中負荷時には早期噴射だけが行われ、予混合圧縮着火燃焼、すなわち燃料を圧縮行程で気化混合させて、同圧縮行程の終わりで燃料予混合気を自着火させる燃焼が行われる。
【００２６】
その後、算出した筒内平均空気過剰率λが低くなり、ディーゼルエンジンが高負荷と判定されると、コントローラ２８は、図３(b) に示されるような多段燃焼領域を介在させてから、図３(c) に示されるような通常のディーゼル燃焼に切替える。
【００２７】
すなわち、コントローラ２８で高負荷と判定されると、ステップS ５からステップＳ７へ進み、開弁機構部１８を制御して、図３（ｂ）に示されるように例えば吸入行程の中期で内側針弁７と外側針弁８との双方を開弁、続く圧縮行程の上死点近傍で内側針弁７だけを開弁させる。これにより、燃料は、早期噴射( 衝突噴射）と通常噴射とによって多段に噴射される( １サイクル中）。
【００２８】
これにより、多段燃焼が行われる。そして、筒内平均空気過剰率λが、通常燃焼へ移行する設定値βを越えると、コントローラ２８は、ステップS ８へ進み、図３(c) に示されるように通常噴射（圧縮行程の上死点近傍で内側針弁７だけを開弁）だけを行う。これにより、ディーゼル燃焼に切り替わり、高負荷の間は、ディーゼル燃焼が継続する。
【００２９】
なお、高負荷から低・中負荷へ切り替わる際にも、同様に多段噴射が途中に介在されてから（多段燃焼）、予混合圧縮着火燃焼へ移るものである。
このように低・中負荷時には早期噴射に切替え、高負荷時には通常噴射に切替えることより、低・中負荷時には予混合圧縮着火燃焼による低ＮＯｘ、低黒煙燃焼が実現され、高負荷時にはディーゼル燃焼による出力確保が実現されるようになる。実験によれば、図４中の実線に示されるようにディーゼルエンジンの低・中負荷域では、予混合圧縮着火燃焼が十分に発揮されたことの証として、ＮＯｘの生成が格段に抑制されたこと、排煙( 黒煙）の発生が格段に抑制されたことが確認され、高負荷域では、ディーゼル燃焼が十分に発揮されたことの証として、従来のディーゼル燃焼のときと同じ高い出力が確保されたことが認められた。さらに、多段燃焼によって切替えの際、低ＮＯｘ、低黒煙燃焼の悪化を抑えた切換えが行われたことも認められた。
【００３０】
それ故、予混合圧縮着火燃焼の効果とディーゼル燃焼の効果とを十分に発揮させることができる。この結果、排ガス特性ならびに出力特性の双方に優れたディーゼルエンジンを提供できる。特に予混合圧縮着火燃焼で求められる噴霧特性、ディーゼル燃焼で求められる噴霧特性が得られるよう、早期噴射と通常噴射の噴霧パターンを可変させたので、一層、優れた排ガス特性ならびに出力特性が実現できる。
【００３１】
しかも、予混合圧縮着火燃焼と通常のディーゼル燃焼との切替えは、両燃焼の中間である多段噴射による多段燃焼領域を経由して行うので、スムーズな切換えが行える。そのうえ、多段燃焼領域は、希薄燃焼を含んでいるので、ＮＯｘ、黒煙の悪化は最小限ですむ。
【００３２】
加えて、同切替えは、ディーゼルエンジンの筒内平均空気過剰率にしたがって行うようにしたので、簡単な制御である。
なお、一実施形態では、圧縮行程の中期や吸入行程の中期に燃料を噴射する早期噴射を例に挙げたが、これに限らず、早期噴射は吸入行程の初期から圧縮行程の中期までの間で行わればよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、低・中負荷時には予混合圧縮着火燃焼に切り替わって、低ＮＯｘ、低黒煙燃焼が行われ、高負荷時には通常のディーゼル燃焼に切り替わって、出力が十分に確保されるようになる。
【００３５】
それ故、予混合圧縮着火燃焼の効果、ディーゼル燃焼の効果の双方が十分に発揮できようになり、排ガス特性、出力特性に優れたディーゼルエンジンを提供できる。
【００３６】
請求項２に記載の発明によれば、さらに上記効果に加え、ＮＯｘの生成を最小限にべ抑制しつつ予混合圧縮着火燃焼とディーゼル燃焼とをスムーズに切替えることができる。
請求項３に記載の発明によれば、さらに上記効果に加え、簡単な制御で、予混合圧縮着火燃焼とディーゼル燃焼との切替えを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの噴霧ノズル回りの構造を示す図。
【図２】同噴霧ノズルの噴霧パターンを低・中負荷と高負荷とで切替える制御を説明するためのフローチャート。
【図３】同制御によりエンジン負荷条件に応じて行われる早期噴射、多段噴射、通常噴射を説明するための図。
【図４】同早期噴射、多段噴射、通常噴射で行われる燃焼がもたらす低ＮＯｘ、低黒煙燃焼、高出力を説明するための図。
【符号の説明】
１…噴霧ノズル（燃料噴射部）
１８、２８…開弁機構、コントローラ( 切替手段）。

Claims (3)

1. 燃料噴射ノズルの先端に設けられ、所定の燃料噴射角度をもって燃料を燃料室に噴射可能な第１の噴孔と、
   前記第１の噴孔の近傍に配設され、燃料を上方から下方に向けて噴射して前記第１の噴孔から噴射された燃料に衝突させる第２の噴孔と、
   低・中負荷時に吸入工程の初期から圧縮工程の中期までの間で前記第１の噴孔と第２の噴孔から同時に燃料を噴射する早期噴射と、高負荷時に圧縮工程の上死点近傍で前記第１の噴孔のみから燃料を噴射する通常噴射とを切り替える切替手段と
   を具備したことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記早期噴射と通常噴射との切り替えは、１サイクル中に前記早期噴射と前記通常噴射との双方を行う多段噴射を経由して行われることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記早期噴射と前記通常噴射との切り替えは、エンジンの筒内平均空気過剰率にしたがって行われることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。

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