JP2002097960A

JP2002097960A - 内燃機関における燃焼方法

Info

Publication number: JP2002097960A
Application number: JP2000291040A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Wakamoto; 晃太郎若本; Taisuke Murotani; 泰輔室谷; Yuichi Kodama; 祐一児玉
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2002-04-05

Abstract

(57)【要約】【課題】燃焼圧力上昇率を抑制しつつ、低ＮＯｘ、ス
モークレス運転が可能な内燃機関における燃焼方法を提
供する。【解決手段】往復動するピストンを含んで形成された
燃焼室５に燃料をパルス状に噴射し、各噴射燃料塊を空
気と混合させて独立した希薄予混合気としたのち、それ
ぞれ独立的かつ連続的に着火・燃焼させる。従来の希薄
噴霧燃焼のように、燃焼室内の希薄予混合気が一度に着
火・燃焼する方法ではなく、パルス状に噴射された各噴
射燃料塊がそれぞれ個々に独立的かつ連続的に着火・燃
焼されるから、燃焼圧力上昇率を低く抑えることがで
き、しかも、着火前に希薄な燃料空気の予混合気が形成
されるため、燃焼温度が下がり、生成ＮＯｘを低減する
ことができるとともに、スモークの排出も抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関における
燃焼方法に関する。たとえば、ディーゼルエンジンにお
いて、低ＮＯｘ（窒素酸化物）、スモークレス運転を実
現するための内燃機関における燃焼方法に関する。

【０００２】

【背景技術】ディーゼルエンジンにおけるＮＯｘの低減
には燃焼温度を下げることが有効である。燃焼温度は、
燃料と空気との比率、および、燃焼前の燃料空気混合気
の温度によって決定される。

【０００３】この燃焼温度を低減する方法の１つに、
（Ａ）「希薄予混合圧縮自着火（HCCI）」という方法が
ある。これは、燃料を圧縮行程の早い期間に噴射するこ
とによって、着火前に希薄な燃料と空気の予混合気を形
成させ、これを圧縮自着火させるものである。燃料が希
薄な燃焼であるため、燃焼温度が下がり生成ＮＯｘが低
減される。これの基本概念は、燃料と空気の混合といっ
た物理速度に合わせて、着火・燃焼という化学反応速度
が遅くなる、低温・低圧条件下に燃料を噴射するという
ものである。

【０００４】また、希薄化の別の手段として、（Ｂ）噴
孔径を数１００μｍ以下にまで絞った、いわゆる、マイ
クロホールノズルの適用が検討されている。HCCIとは逆
に、これの基本概念は、化学反応速度と同等レベルにま
で物理速度を高める、というものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】（Ａ）希薄予混合圧縮
自着火（HCCI）の課題負荷が高い運転条件では、燃焼室内の燃料空間密度が高
くなり、燃焼反応の反応速度が大きくなる。これによっ
て、燃焼圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が過大になり、騒音
やエンジンの故障といった課題が発生する。

【０００６】これを解決する方法として、（ａ）排気ガ
ス再循環（ＥＧＲ）による酸素濃度低減での燃焼反応速
度を抑制する方法、（ｂ）噴射燃料のうち一部だけを早
期に噴射し希薄予混合気化し、残りを通常のディーゼル
噴霧燃焼とする方法（すなわち、部分希薄予混合気化）
（ｃ）過給圧力を高め、充填空気量を増やす方法、
（ｄ）圧縮比を下げ、燃料の空間密度を下げる方法、
（ｅ）圧縮比は下げないが、着火時期をピストン上死点
から大幅に遅らせ着火時における実圧縮比を下げる方
法、などが考えられる。

【０００７】このうち、（ａ）のＥＧＲと（ｃ）の過給
と（ｂ）の部分希薄予混合気化とを組み合わせた場合
に、燃焼圧力を許容できるレベル以下に抑えるには、圧
縮比をおよそ９以下に下げる必要があることが発明者等
の研究で明らかになった。しかも、この場合でも、大量
ＥＧＲガスの冷却の問題や、低膨張率ゆえの熱効率の悪
化という問題が残り、到底、実用に値しない。従って、
ほかの対策が求められている。

【０００８】（Ｂ）マイクロホールノズルによる希薄燃
焼の課題従来のマイクロホールノズルによる燃焼は噴霧を素早く
周囲空気と混合させ、希薄な噴霧燃焼を実現させようと
するものである。すなわち、燃焼にかかわる物理的現象
の速度を高めるものである。しかし、マイクロホールノ
ズルでの噴霧は貫徹力が劣るため、ノズル近傍に燃焼ガ
スが集中し、空気利用率が悪くなり、高負荷ではスモー
クの悪化が著しくなるという課題があった。また、噴霧
を継続して噴射する以上、ＮＯｘが生成しにくい希薄な
部分で着火したとしても、着火後の燃焼領域は必ず当量
比１前後のＮＯｘ生成が大きな条件にならざるを得ず、
とくに、高負荷の運転条件ではスモーク同様、ＮＯｘの
低減効果が見られないばかりか、逆に、ＮＯｘが悪化す
るという課題があった。従って、マイクロホールノズル
を用いただけの単純な変更だけでは、低ＮＯｘ・低スモ
ークの希薄噴霧燃焼を実現することは不可能である。

【０００９】本発明の目的は、このような従来の課題を
解消し、燃焼圧力上昇率を抑制しつつ、低ＮＯｘ、スモ
ークレス運転が可能な内燃機関における燃焼方法を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の内燃機関における燃焼方法は、次の構成を
採用する。請求項１に記載の内燃機関における燃焼方法
は、往復動するピストンを含んで形成された燃焼室に燃
料をパルス状に噴射し、各噴射燃料塊を空気と混合させ
て独立した希薄予混合気としたのち、それぞれ独立的に
着火・燃焼させることを特徴とする。ここにおいて、燃
料をパルス状に噴射するとは、燃料噴射を一定期間継続
したのち中断し、再び再開する動作を繰り返すことをい
う。燃料をパルス状に噴射するためには、高速応答性の
燃料噴射ノズルを用いるのが好ましい。また、希薄予混
合気の形成には、噴射燃料塊と周囲空気とが迅速かつ均
一に混合されることが望ましい。そのため、燃料を微細
に噴霧したり、燃焼室内に高速スワール空気流を発生さ
せることが好ましい。

【００１１】この発明によれば、燃焼室に燃料がパルス
状に噴射されると、その噴射燃料塊は、着火するまでに
周囲空気を取り入れて希薄な予混合気を形成する。この
ようにして形成された独立した希薄予混合気は、それぞ
れ個々に独立して着火・燃焼される。従って、パルス状
に噴射された噴射燃料塊がそれぞれ独立的かつ連続的に
着火・燃焼されるから、燃焼圧力上昇率を低く抑えるこ
とができる。つまり、従来の希薄噴霧燃焼のように、燃
焼室内の希薄予混合気が一度に着火・燃焼するのではな
く、パルス状に噴射された各噴射燃料塊が個々に独立的
かつ連続的に着火・燃焼されるから、燃焼圧力上昇率を
低く抑えることができる。しかも、着火前に各噴射燃料
塊は希薄な燃料空気の予混合気になるまで混合が進んで
いるため、燃焼温度が下がり、生成ＮＯｘを低減するこ
とができるとともに、噴射時点から着火前に周囲空気と
十分に混合されているから、スモークの排出も抑制でき
る。

【００１２】ちなみに、燃料を多段噴射するものとし
て、特開平９−２０９８６６号公報ににおいて、「内燃
式往復ピストン・エンジンにおける燃料噴射の方法及び
装置」が提案されている。しかし、これは、燃焼室内に
おける熱発生率の制御を目的とするものであって、本発
明のように、パルス状に噴射した各噴射燃料塊を空気と
混合させて希薄予混合気とし、それぞれ独立的に着火・
燃焼させて、低ＮＯｘ、スモークレス化を図るものでは
ない。

【００１３】また、燃料を多段に噴射するという考え方
として、（ｉ）初期噴射量を抑制して燃焼騒音やＮＯｘ
を低減する目的でのパイロットインジェクション、（i
i）主燃焼後期に再度噴射して燃焼場を攪乱してスモー
クを低減させる目的でのポストインジェクション、（ii
i）ＮＯｘ還元触媒用の還元剤ＨＣを作るためのポスト
インジェクションなどが、研究・開発されている。しか
し、これらの多段燃料噴射の技術も、本発明で述べてい
るような「予混合気の希薄化」を目的とするアプローチ
は未だなされていない。

【００１４】請求項２に記載の内燃機関における燃焼方
法は、請求項１に記載の内燃機関における燃焼方法にお
いて、燃料噴射を、燃料噴射開始時点から継続し、着火
時点においてＮＯｘの生成が激しくなるような燃料濃度
の混合気の部分が残留することがないうちに中断するこ
とを特徴とする。一般に、噴射された燃料噴射において
は、１噴射期間（この発明ではパルス状噴射におけるパ
ルス幅に相当する）の中での初期に噴射された燃料によ
って作られる混合気は、空気との混合時間が確保されて
いるため燃料の濃度が薄い。これに対して、１噴射期間
の中での噴射時期が遅い時期に噴射された燃料による混
合気の燃料濃度は濃くなる。低ＮＯｘのためには、混合
気は希薄な方（たとえば、当量比０．７以下程度）が望
ましい。従って、混合気が着火した時点で、着火した混
合気塊の中に当量比がたとえば０．７以上の領域が存在
しないようにするためには、１噴射期間を所定の期間よ
りも短くする必要がある。この発明によれば、燃料の１
噴射期間を燃料噴射開始時点から、着火時点においてＮ
Ｏｘの生成が激しくなるような燃料濃度の混合気の部分
が残留することがない期間までとした、つまり、それよ
り後続の燃料濃度が濃くなる部分が噴射燃料塊中に存在
しないため、噴射燃料塊の希薄化が図れる。ちなみに、
燃料の１噴射期間、すなわち、１パルス幅は、燃焼室内
の空気温度や圧力条件、酸素濃度によって異なるが、１
０００Ｋ程度の温度条件であれば、おおよそ０．５ｍse
c以下、より好ましくは、０．１〜０．３ｍsec程度であ
る。

【００１５】請求項３に記載の内燃機関における燃焼方
法は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃焼
方法において、燃料噴射間隔を、先行の予混合気の燃焼
による燃焼ガスが、後続の予混合気を着火させない間隔
で行うことを特徴とする。この発明によれば、先行の予
混合気の燃焼による燃焼ガスが、後続の予混合気を着火
させない間隔で、燃料噴射が行われるから、各予混合気
をそれぞれ独立的に着火・燃焼させることができる。つ
まり、先行の予混合気の燃焼による燃焼ガスが、後続の
混合気の着火反応を促進して、後続の混合気が希薄化す
る前に着火してしまうのを防止できる。

【００１６】請求項４に記載の内燃機関における燃焼方
法は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の内燃
機関における燃焼方法において、前記燃焼室内に高速ス
ワール空気流を発生させ、この条件下において、燃焼室
中央部から偏心した位置で燃料を噴射することを特徴と
する。ここで、高速スワール空気流は、たとえば、ヘリ
カル型吸気ポートによって実現させることができるが、
機関回転速度や、負荷すなわちトータル燃料噴射量に応
じてスワールの流動速度を最適に制御することが望まし
い。これは、全燃焼期間（トルク点ではおよそ６０度ク
ランクアングル相当）内において、初期に噴射、形成さ
れた燃焼ガスがシリンダ内を周回して再びノズル近傍に
到達することを避ける必要があるためである。つまり、
機関回転速度が速くなると、あるいは、負荷が大きくな
るほど、許容スワール強度が小さくなるため、最適な制
御が必要になる。

【００１７】この発明によれば、燃焼室中央部から偏心
した位置で燃料を噴射すると、その噴射燃料塊は、燃焼
室内に発生している高速スワール空気流によって移動さ
れながら、希薄予混合気化され、続いて、着火・燃焼さ
れる。つまり、希薄予混合気塊や燃焼ガス塊が一箇所に
停留したり、後続の噴射燃料塊と合体してこの噴射燃料
塊が希薄化する前に着火するのを防止できる。しかも、
高速スワール空気流内では比重の小さい高温燃焼ガス塊
はサーマルピンチ作用によって燃焼室（シリンダ）中央
部に集められる。これによって、空気利用率の向上およ
び空気断熱によるヒートロス低減効果（熱効率の向上）
が得られる。

【００１８】請求項５に記載の内燃機関における燃焼方
法は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の内燃
機関の燃焼方法において、燃料をパルス状に噴射する
際、噴孔径が１００μｍ以下の複数の燃料噴孔を備えた
燃料噴射ノズルを用いて行うことを特徴とする。ここ
で、噴孔径が１００μｍ以下であればよいが、好ましく
は８０μｍ以下、より好ましくは７０μｍ以下がよい。
また、噴孔の数については、１回の燃料噴射量や噴射期
間に応じて任意に設定すればよい。さらに、噴孔の向き
については、たとえば、燃焼室内に高速スワール空気流
を発生させた条件下では、その高速スワール空気流の流
動方向に概ね順方向で、かつ、シリンダ内壁に噴霧燃料
が付着しないような角度が好ましい。

【００１９】この発明によれば、噴孔径が１００μｍ以
下の複数の燃料噴孔を通して燃料が噴射されるから、つ
まり、燃料が霧化状になって噴射されるから、周囲空気
との混合が促進され、希薄予混合気の形成を促進でき
る。しかも、燃焼室内に高速スワール空気流が発生した
条件下において、噴孔径が１００μｍ以下の燃料噴孔を
備えた燃料噴射ノズル（いわゆる、マイクロホールノズ
ル）から燃料を噴射すれば、マイクロホールノズルであ
ることによる、噴霧の貫徹力低下を補って、燃焼ガス塊
を特定の場所から運び去る働きがあり、これによって、
先行の燃焼ガスが後続の混合気の着火・燃焼を阻害する
ことを防ぐことができる。この際、比重の小さい燃焼ガ
ス塊はサーマルピンチ効果によってシリンダ中央部に寄
せられるから、シリンダライナ壁面からの熱損失を低減
でき、機関の熱効率を向上させることができる。

【００２０】請求項６に記載の内燃機関の燃焼方法は、
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の内燃機関の
燃焼方法において、燃料噴射間隔または１噴射毎の噴射
量を制御することにより、全燃焼期間に亘って燃料を噴
射することを特徴とする。この発明によれば、燃料噴射
間隔または１噴射毎の噴射量を制御し、同時に全燃焼期
間に亘って燃料を噴射することにより、熱発生率を全燃
焼期間に亘って直接制御することが可能である。しか
も、マイクロホールノズルにおける噴射期間が長くなる
という欠点も小さくすることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１は本実施形態のディーゼルエ
ンジン１を示している。このディーゼルエンジン１は、
内部にピストン２を往復動自在に収納したシリンダ３の
上にシリンダヘッド４が装着され、このシリンダヘッド
４とピストン２との間に燃焼室５が形成されている。つ
まり、往復動するピストン２を含んで燃焼室５が形成さ
ている。シリンダヘッド４には、その中央部を挟んだ両
側に吸気弁６および排気弁７がそれぞれ設けられている
とともに、吸気弁６の近傍、つまり、燃焼室５の中央か
ら偏心した位置に燃焼室５に向けて燃料をパルス状に噴
射する燃料噴射ノズル１０が配置されている。なお、吸
気弁６が位置する吸気ポート６Ａは、ヘリカル型で、外
部からの空気をシリンダ３中心回りの旋回流として吸入
する。つまり、燃焼室５内に高速スワール空気流を発生
させる手段を兼ねている。

【００２２】燃料噴射ノズル１０としては、磁歪素子駆
動型のコモンレール式燃料噴射ノズルが用いられてい
る。このコモンレール式燃料噴射ノズル１０は、図２に
示すように、ホルダ１１と、このホルダ１１の上部に収
納された磁歪アクチュエータ１２と、ホルダ１１の下部
に収納され前記磁歪アクチュエータ１２によって上下に
振動する針弁１３と、この針弁１３をノズル先端側の弁
座１４へ付勢するスプリング１５と、ホルダ１１の中心
から離れた位置にその軸方向に沿って形成されコモンレ
ール（畜圧室）から弁座１４までを連通する燃料通路１
６とを備える構成である。なお、磁歪アクチュエータ１
２は、図には記載されていない駆動回路から信号端子１
７を通じて与えられるパルス電流によって駆動される。

【００２３】針弁１３が接する弁座１４には、図３
（Ａ）（Ｂ）に示すように、ノズル１０の中心から放射
状に一定角度間隔で形成された計１５本の燃料噴孔１８
が、上下４段に形成されている。従って、計６０本の噴
孔１８が形成されている。これらの噴孔１８は、それぞ
れ直径が０．０６ｍｍで、高速スワール空気流の流動方
向に対して概ね順方向、かつ、シリンダ３のライナ壁面
に燃料噴霧が付着しないような角度に設定されている。

【００２４】ちなみに、このような微細径の噴孔１８を
複数備えた燃料噴射ノズル、いわゆる、マイクロホール
ノズルは、噴孔設置密度が密になると、隣接する噴霧が
互いに干渉し噴霧液滴の微細化が阻害される可能性があ
る。これには、燃料噴射ノズルを複数備えることによっ
て、ノズル先端部の噴孔設置密度を下げるという対応が
あるが、ノズルの設置数量に応じて適用可能なスワール
範囲が制限されることになるから、ノズルの本数に応じ
たスワール設定も重要である。なお、従来の列型ポンプ
に比べて、コモンレール式燃料噴射システムでは、ノズ
ル本数の増設は簡単である。

【００２５】さて、以上の構成において、ピストン２が
上死点（あるいは、その近傍）から全燃焼期間（最大約
６０〜８０度クランクアングル）に亘って、燃料噴射ノ
ズル１０から燃焼室５に向けて燃料をパルス状に噴射す
る。たとえば、燃料噴射を、燃料噴射開始時点から継続
し、着火時点においてＮＯｘの生成が激しくなるような
燃料濃度の混合気の部分が残留することがないうちに中
断（約、０．５ｍsec以下、好ましくは、０．１ｍsec〜
０．３ｍsec継続）し、所定期間中断して再び再開す
る。すると、その燃料噴射ノズル１０から噴射された噴
射燃料塊は、燃焼室内に生成されている高速スワール空
気流によって燃焼室５内を移動されながら、図４に示す
過程を経て、燃焼される。

【００２６】まず、燃料噴射ノズル１０から噴射された
噴射燃料塊は、着火遅れ期間内（約０．５ｍsec）に、
希薄予混合気形成過程において、周囲空気を取り入れて
希薄な予混合気を形成する。なお、着火遅れ期間とは、
燃料噴射時点からその噴射燃料塊が着火するまでの期間
をいう。次に、このようにして形成された希薄予混合気
は、続く着火過程において、それぞれ独立的に着火・燃
焼される。つまり、燃料噴射ノズル１０からの燃料噴射
間隔が、先行の予混合気の燃焼による燃焼ガスが、後続
の予混合気を着火させない間隔に制御されているから、
それぞれ独立的に着火・燃焼される。その後、その燃焼
ガス塊は、燃焼ガス拡散過程において、流動されながら
合体・拡散される。

【００２７】次に、燃料噴射ノズル１０において、燃料
噴射間隔（燃料噴射パルス間隔）を変えることによっ
て、等圧燃焼と等温燃焼を組み合わせた場合の制御例に
ついて説明する。図５（Ａ）において、燃焼はピストン
２が上死点に達した時に開始され、その後、２０度クラ
ンクアングルまでの間は上死点圧力を維持した「等圧燃
焼」であり、その後はシリンダ内平均温度を一定にした
「等温燃焼」である。このような燃焼を実現させるため
には、磁歪素子への駆動電流のパルス間隔は、図５
（Ｂ）および図６に示すような制御がなされる。つま
り、磁歪素子への駆動電流のパルス間隔は、燃焼初期の
段階では大きく、２０度クランクアングルまで次第に小
さく、その後、大きくなるように制御される。

【００２８】なお、図６において、駆動電流が流れてい
る時間は、この例では全て同一である。十分なＮＯｘ排
出量の抑制効果を得るには、噴射された各噴射燃料塊が
それぞれ着火遅れ期間内に希薄な予混合気を形成できる
量だけ噴射することが望ましい。この時間よりも長時間
の燃料射出パルス幅であると、着火時点にＮＯｘが多量
に生成する量論混合比状態やスモークが形成される過濃
な混合比の状態が残されてしまう。具体的な射出時間幅
は、シリンダ内空気の温度や圧力によっても異なるが、
１０００Ｋ程度の温度条件であれば、おおよそ０．３ｍ
sec以下が望ましいが、これより長くてもある程度のＮ
Ｏｘ・スモーク抑制効果が期待できる。

【００２９】この例では、燃焼の全期間に亘ってパルス
幅が同じであるが、たとえば、燃焼後期においては一般
的にシリンダ内空気温度・圧力が低下するため、このよ
うな状態では着火遅れ期間が長くなるので、パルス幅を
長くすることも許される。さらには、燃焼初期の既燃ガ
スが燃焼後期の射出燃料塊に取り込まれるような状態が
万一生じるような場合には、内部ＥＧＲ的な現象が起こ
るため、これを考慮にいれた制御も必要である。全燃焼
期間に亘って燃料を噴射することによって、本実施例の
ように熱発生率を直接制御することが可能になるほか、
マイクロホールノズルでは噴射期間を長くしなくてはい
けないという欠点を小さくすることができる。

【００３０】従って、本実施形態によれば、次の作用効
果が期待できる。（１）燃焼室５に燃料をパルス状に噴射し、各噴射燃料
塊を着火遅れ期間内に空気と混合させて独立した希薄予
混合気としたのち、それぞれ独立的かつ連続的に着火・
燃焼させるようにしたので、燃焼圧力上昇率を低く抑え
ることができる。つまり、従来の希薄噴霧燃焼のよう
に、燃焼室内の希薄予混合気が一度に着火・燃焼する方
法ではなく、パルス状に噴射された各噴射燃料塊がそれ
ぞれ個々に独立して着火・燃焼されるから、燃焼圧力上
昇率を低く抑えることができる。しかも、着火前に希薄
な燃料空気の予混合気が形成されるため、燃焼温度が下
がり、生成ＮＯｘを低減することができるとともに、ス
モークの排出も抑制できる。

【００３１】（２）燃料の１噴射期間を燃料噴射開始時
点から、着火時点においてＮＯｘの生成が激しくなるよ
うな燃料濃度の混合気の部分が残留することがない期間
まで（具体的には、燃料の１噴射期間を０．５ｍsec以
下、より好ましくは、０．１〜０．３ｍsec程度）とし
たから、それより後続の燃料濃度が濃くなる部分が噴射
燃料塊中に存在しないため、噴射燃料塊の希薄化が図れ
る。

【００３２】（３）先行の希薄予混合気の燃焼による燃
焼ガスが、後続の予混合気を着火させない間隔で、燃料
噴射を行うようにしたから、各予混合気をそれぞれ独立
的に着火・燃焼させることができる。つまり、先行の予
混合気の燃焼による燃焼ガスが、後続の予混合気の着火
反応を促進して、後続の予混合気が希薄化する前に着火
してしまうのを防止できる。

【００３３】（４）燃焼室５内に高速スワール空気流を
発生させた条件下において、燃焼室５中央部から偏心し
た位置で燃料を噴射するようにしたから、噴射した噴射
燃料塊は、燃焼室５内に発生している高速スワール空気
流によって移動されながら、希薄予混合気化され、続い
て、独立的に着火・燃焼される。つまり、希薄予混合気
塊や燃焼ガス塊が一箇所に停留したり、後続の噴射燃料
塊と合体してこの噴射燃料塊が希薄化する前に着火する
のを防止できる。さらに、高速スワール空気流内では比
重の小さい高温燃焼ガス塊はサーマルピンチ作用によっ
てシリンダ３の中央部に集められるから、これによっ
て、空気利用率の向上および空気断熱によるヒートロス
低減効果（熱効率の向上）が得られる。

【００３４】（５）噴孔径が０．０６ｍｍ以下の複数
（合計６０個）の燃料噴孔１８を備えた燃料噴射ノズル
１０（マイクロホールノズル）を用いて、燃料をパルス
状に噴射するようにしたので、燃料は霧化状になって噴
射されるから、周囲空気との混合が促進され、希薄予混
合気の形成を促進できる。

【００３５】（６）燃料噴射ノズル１０（マイクロホー
ルノズル）からの燃料噴射が、高速スワール空気流の概
ね順方向、かつ、シリンダ３のライナ壁面に燃料噴霧が
付着しないような角度に設定されているから、次の効果
が得られる。第１は、マイクロホールノズルであること
による、噴霧の貫徹力低下を補い、燃焼ガス塊を特定の
場所から運び去る働きがある。これによって、先行の燃
焼ガス塊が後続の混合気の着火・燃焼を阻害することを
防ぐことができる。これは、公害物質のうち、とくにス
モークの低減に対して重要である。第２は、燃焼ガス塊
が高速スワール空気流に乗じてシリンダ３内を移動する
が、この際、比重の小さい燃焼ガス塊はサーマルピンチ
効果によってシリンダ中央部に寄せられる。これによっ
て、シリンダライナ壁面からの熱損失を低減でき、機関
の熱効率を向上させることができる。

【００３６】（７）燃料噴射ノズル１０として、磁歪素
子駆動型のコモンレール式燃料噴射ノズルを用いたの
で、高速でバルブの開閉が可能で、噴射間隔を短縮でき
る。そのため、各噴霧の着火時における希薄領域割合を
増やすことができ、低ＮＯｘ化・低スモーク化に寄与で
きる。なお、従来、磁歪素子は電流駆動であるために、
ノズル開弁時には常時通電しておく必要があったが故
に、消費電力が圧電素子に比べて大きくなるという問題
が生じていたが、数kHz〜１０kHzの高周波で駆動させれ
ば、この問題を小さくすることができる。

【００３７】（８）燃料噴射間隔または１噴射毎の噴射
量を制御することにより、全燃焼期間に亘って燃料を噴
射するようにしたから、全燃焼期間に亘って熱発生率を
直接制御することが可能であるうえ、マイクロホールノ
ズルにおける噴射期間が長くなるという欠点も小さくす
ることができる。

【００３８】なお、上記実施形態では、燃料噴射ノズル
１０として、磁歪素子駆動型のコモンレール噴射ノズル
を用いたが、これに限らず、たとえば、圧電素子駆動型
のコモンレール噴射ノズルなど高速でバルブの開閉が可
能なものを用いることができる。また、上記実施形態に
おいて、高速スワール空気流に対して、燃料噴射ノズル
１０の上流側に空気流動を乱す障害物を設け、この乱流
の作用によって燃料と空気の混合を促進させるようにし
てもよい。

【００３９】また、上記実施形態では、燃焼室５内に高
速スワール空気流を発生させるとともに、燃焼室５の中
央から離れた位置に燃料噴射ノズル１０を設置したが、
燃料噴射ノズル１０を燃焼室５の中央に設置する場合に
は、高速スワール空気流に代えて、タンブル流（縦流
動）を用いればよい。

【００４０】

【発明の効果】本発明の内燃機関における燃焼方法によ
れば、燃焼室に燃料をパルス状に噴射し、各噴射燃料塊
を空気と混合させて独立の希薄予混合気としたのち、そ
れぞれ独立的かつ連続的に着火・燃焼させるようにした
ので、燃焼圧力上昇率を抑制しつつ、低ＮＯｘ、スモー
クレス運転を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のエンジンを示す断面図で
ある。

【図２】同上実施形態で用いる燃料噴射ノズルを示す断
面図である。

【図３】上記燃料噴射ノズルのノズル先端部分を示す断
面図である。

【図４】同上実施形態において、パルス状に噴射された
噴射燃料が流動する各過程における現象を示す図であ
る。

【図５】同上実施形態において、等圧燃焼と等温燃焼を
組み合わせた場合の制御例を示す図である。

【図６】図５（Ａ）の制御を行うための燃料のパルス噴
射を示す図である。

【符号の説明】

１エンジン２ピストン３シリンダ４シリンダヘッド５燃焼室１０燃料噴射ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 41/38 Ｆ０２Ｄ 41/38 Ｂ 41/40 41/40 ＣＦ０２Ｍ 45/02 Ｆ０２Ｍ 45/02 61/18 ３２０ 61/18 ３２０Ｚ (72)発明者児玉祐一神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 3G023 AA04 AA05 AB05 AC05 AD01 AD06 AD27 AD28 AG02 AG03 3G066 AA07 AB02 AC09 BA24 BA25 CC06U CC14 CC26 CC34 CE27 DA09 3G301 HA02 HA15 JA24 JA25 LB11 LC05 MA11 MA18 MA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】往復動するピストンを含んで形成された
燃焼室に燃料をパルス状に噴射し、各噴射燃料塊を空気
と混合させて独立した希薄予混合気としたのち、それぞ
れ独立的に着火・燃焼させることを特徴とする内燃機関
における燃焼方法。
【請求項２】請求項１に記載の内燃機関における燃焼
方法において、燃料噴射を、燃料噴射開始時点から継続
し、着火時点においてＮＯｘの生成が激しくなるような
燃料濃度の混合気の部分が残留することがないうちに中
断することを特徴とする内燃機関における燃焼方法。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の内燃機
関における燃焼方法において、燃料噴射間隔を、先行の予混合気の燃焼による燃焼ガス
が、後続の予混合気を着火させない間隔で行うことを特
徴とする内燃機関における燃焼方法。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記
載の内燃機関における燃焼方法において、前記燃焼室内に高速スワール空気流を発生させ、この条
件下において、燃焼室中央部から偏心した位置で燃料を
噴射することを特徴とする内燃機関における燃焼方法。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれかに記
載の内燃機関における燃焼方法において、燃料をパルス状に噴射する際、噴孔径が１００μｍ以下
の複数の燃料噴孔を備えた燃料噴射ノズルを用いて行う
ことを特徴とする内燃機関における燃焼方法。
【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれかに記
載の内燃機関における燃焼方法において、燃料噴射間隔または１噴射毎の噴射量を制御することに
より、全燃焼期間に亘って燃料を噴射することを特徴と
する内燃機関における燃焼方法。