JP2004346882A

JP2004346882A - 圧縮着火式内燃機関

Info

Publication number: JP2004346882A
Application number: JP2003147198A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Nakamura; 村秀一中
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【目的】軽油などを主燃料とする圧縮着火式内燃機関、所謂「ディーゼルエンジン」において、ＮＯｘ（窒素酸化物）とＰＭ（パティキュレートマター：未規制物質）の排出低減に有効な希薄予混合圧縮着火燃焼が可能な運転領域（エンジン負荷域）を拡大出来る圧縮着火式内燃機関の提供。
【解決手段】本発明の内燃機関の燃料噴射装置は、主燃料として液体燃料を用いる圧縮着火式内燃機関において、不燃性の圧縮ガス、揮発性の液体燃料、の何れかの流体を吸気ポート（３）内に噴射することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主燃料の他に副燃料又は不活性ガスを噴射又は吸入する圧縮着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽油などを燃料とする圧縮着火式内燃機関、所謂「ディーゼルエンジン」において、ＮＯｘ（窒素酸化物）とＰＭ（パティキュレートマター：未規制物質）の排出が問題となっている。
これを改善するために希薄予混合圧縮着火方式や高ＥＧＲ燃焼が提案されているがこれらを良好に実現できる運転領域（エンジン負荷域）は限られる。
希薄予混合圧縮着火方式の場合、特に十分に長い着火遅れ期間を確保するためには圧縮費を低くする必要があり、圧縮比低下に伴う熱効率（燃費）悪化が問題となる。
【０００３】
天然ガスと液体燃料を燃料とする複式燃料ディーゼルエンジンにおいて、ガス用燃料系等の構成及び燃料供給形態を改良することにより、生ガスの排出や黒鉛などの排出を解消し、既存のディーゼルエンジンでも少ない費用で複式燃料化出来るようにした技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、アイドリング運転時に触媒の温度が活性化温度以下に低下するのを阻止する技術も開示されている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
然るに、前者においては既存のディーゼルエンジン及びその構成パーツを有効に組合せ、或いは改造を行って、生ガスの排出や黒鉛の排出の解消を図るものであり、何ら前述の問題点の解消には言及していない。
【０００６】
後者においても、その手法はＥＧＲに限るものであり、更に触媒を具備したエンジンに限定されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１１９８３号公報（第２−４ページ、第２図）
【特許文献２】
特開２０００−９７０９８号公報（第２−１６ページ、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の圧縮着火式内燃機関の目的は、軽油などを主燃料とする圧縮着火式内燃機関、所謂「ディーゼルエンジン」において、ＮＯｘ（窒素酸化物）とＰＭ（パティキュレートマター：未規制物質）の排出低減に有効な希薄予混合圧縮着火燃焼が可能な運転領域（エンジン負荷域）を拡大出来る圧縮着火式内燃機関を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の圧縮着火式内燃機関は、主燃料として液体燃料を用いる圧縮着火式内燃機関において、不燃性の圧縮ガス、揮発性の液体燃料、の何れかの流体を吸気ポート（３）内に噴射することを特徴としている（請求項１）。
【００１０】
前記何れかの流体を吸気ポート（３）内に噴射する噴射装置は、吸気弁（５）のバルブガイド（７）の先端に設けられ流体導入路（８ａ）を有するガイド部材（８）に形成された噴射孔（８ｈ）を備えている（請求項２）。
【００１１】
或いは、前記何れかの流体を吸気ポート（３）内に噴射する噴射装置（１Ａ）は、燃料噴射弁の先端部（１Ｎ）に環状の渦形成室（１２ｃ）と、その渦形成室（１２ｃ）の上流側端部の外周部近傍に渦形成室に傾斜して接続された複数の流体導入路（１３）を有し、燃料噴射弁の先端（１Ｎ）に円錐状環状隙間による噴射孔（１６）が形成されている（請求項３）。
【００１２】
前記円錐状環状隙間（１６）を形成する円錐角度（θ）は、噴射された流体が吸気弁（５）に到達した際に吸気ポート（３）の開口部の外縁部（３ａ）と流体の円錐状環状体の部分とが一致している（請求項４）。
【００１３】
そして、前記何れかの流体は、流体貯留手段から所定の圧力以上で前記噴射装置（１、１Ａ）に供給される（請求項５）。
【００１４】
また、前記１種類の流体の供給タイミングは、吸気バルブ（５）開放期間の後期である（請求項６）。
【００１５】
係る構成の本発明の圧縮着火式内燃機関（図１〜図５）によれば、流体貯留手段及び流体供給手段によって一定圧を付加された流体（不燃性の圧縮ガス、揮発性の液体燃料、の何れか）は、流体ガイド部材（８）の流体導入路（８ｅ）に流入し、その流体導入路（８ｅ）は、吸気弁（５）のステム部（５ｃ）の外周の接線方向に向かって斜め上方から流入するので流体ガイド部材（８）内では下向きの強力な渦流（Ｖ）が発生する。
流体の渦流（Ｖ）は、吸気弁（５）の傘部（５ａ）の傾斜面に沿って旋回する噴流を形成しつつ吸気弁（５）と弁座（６）との隙間を通過し、シリンダ（Ｃ）内に流入する。その際には、流体の渦流（Ｖ）の「エゼクタ効果」によって吸気（Ｇｆ）が強制的にシリンダ内に引き込まれると共に流体（Ｖ）と吸気（Ｇｆ）は均一に混合される。
すなわち、流体（Ｖ）による「エゼクタ効果」により吸気（Ｇｆ）の充填効率は高められ、流体（Ｖ）と吸気（Ｇｆ）とは効率良く混合される。
【００１６】
ここで流体が不燃性の圧縮ガス（窒素ガス、二酸化炭素、又は空気）であれば、不燃性の圧縮ガス（Ｖ）が吸気ポート（３）ないしシリンダ（Ｃ）内で断熱膨張することにより充填吸気（Ｇｆ）を冷却するため、
又は、流体が揮発性の気体燃料（例えばガソリン、エチルアルコール、メタノール等）であれば、揮発性の気体燃料の気化潜熱により充填吸気を冷却するため、高い圧縮率でも上死点（ＴＤＣ）におけるシリンダ（Ｃ）内空気温度が過度に上昇することも無く、十分に長い着火遅れ期間を確保して、予混合圧縮着火燃焼が可能となる。圧縮比が高く取れることにより、膨張比が高く設定出来、従来例では圧縮比を低く抑えたために熱効率の低下となっていたのに比べ、熱効率（燃費）が改善出来る。
【００１７】
或いは、係る構成の本発明の圧縮着火式内燃機関（図６〜図９）によれば、渦形成室（１２ｃ）に傾斜して接続された複数の流体導入路（１３）により斜め方向から渦形成室（１２ｃ）に流入した流体は、渦形成室（１２ｃ）で旋回する渦流を発生する。
その渦流が燃料噴射弁の先端（１Ｎ）の円錐状環状隙間の噴射孔（１６）から噴射された後は、流体の噴霧（Ｊ）は円錐環状の膜を形成する。そして、吸気ポート（３）のシリンダ側開口部（３ａ）ではその円錐環状の膜（噴霧Ｊ）の断面は吸気ポート（３）のシリンダ側開口部（３ａ）の直径に略一致している。
【００１８】
一方、吸気ポート（３）内には既に吸気がシリンダ（Ｃ）方向に流過しており、吸気ポートの開口部（３ａ）と吸気弁（５）の外縁との隙間から、狭い隙間を通過する際に流速が急激に増加する所謂「エゼクタ効果」により、前記円錐環状のジェット（Ｊ）の膜を巻き込みながら勢い良くシリンダ（Ｃ）内に流入する。
また、円錐環状のジェット（Ｊ）は、吸気弁（５）の背面に衝突することが無いので高運動エネルギを保ったまま効率的にシリンダ（Ｃ）内に「エゼクタ効果」によって引き込まれる。したがってシリンダ（Ｃ）内では流体と吸入空気は均一に混合される。
すなわち、流体による「エゼクタ効果」により吸気の充填効率は高められ、流体と吸気とは効率良く混合される。
【００１９】
ここで流体が不燃性の圧縮ガス（窒素ガス、二酸化炭素、又は空気）であれば、不燃性の圧縮ガスが吸気ポート（３）ないしシリンダ（Ｃ）内で断熱膨張することにより充填吸気を冷却するため、
又は、流体が揮発性の気体燃料（例えばガソリン、エチルアルコール、メタノール等）であれば、揮発性の気体燃料の気化潜熱により充填吸気を冷却するため、高い圧縮率でも上死点（ＴＤＣ）におけるシリンダ（Ｃ）内空気温度が過度に上昇することも無く、十分に長い着火遅れ期間を確保して、予混合圧縮着火燃焼が可能となる。圧縮比が高く取れることにより、膨張比が高く設定出来、従来例では圧縮比を低く抑えたために熱効率の低下となっていたのに比べ、熱効率（燃費）が改善出来る。
【００２０】
また、流体は流体供給手段から一定の供給圧力が付加されているので常に流体と空気の混合が安定的に行われる。
又、流体の供給タイミングを吸気バルブ開放の終了時期とすることで、空気のシリンダ内への供給が妨げられることなく十分な空気充填効率が得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
先ず図１〜図５を参照して第１実施形態を説明する。
【００２３】
図１において、シリンダブロックＢ上方にガスケットＧ１を介してシリンダヘッド２が取付けられている。
【００２４】
そのシリンダヘッド２の吸気ポート３のシリンダ側とは反対側の開口部３ａには第２のガスケットＧ２を介して吸気マニフォルド４のフランジ４ａが取付けられている。一方吸気ポート３のシリンダ側の端部に形成された穴部３ｂには吸気弁５の傘部５ａの円錐外周面５ｂと面接触させる円錐内径面６ａを有する弁座６が嵌入されている。
【００２５】
吸気ポート３の前記弁座６の上方には、弁座６の中心軸上に中心軸を有する嵌入孔２ａが吸気ポート３を貫通するように穿孔されており、その嵌入孔２ａに円筒状のバルブガイド７が嵌入されている。バルブガイド７の中空部には前記吸気弁５のステム部５ｃが挿入されて、図示しない動弁機構によりバルブガイド７内を摺動するように構成されている。
【００２６】
図２および図３をも参照して、前記バルブガイド７の吸気ポート３側の端部には、幹部全体として円形断面で上端に嵌入孔８ａを有する流体ガイド部材８が、その嵌入孔８ａによってバルブガイド７の先端を嵌合して吸気ポート３の内壁側に固着されている。
【００２７】
図１及び図２に示す例では、吸気ポート３の（図１における）水平部分の中心軸３ｎａは（図２における）吸気バルブ５の中心軸に対してオフセット量δだけ上方に偏芯している。
【００２８】
前記流体ガイド部材８は下端側に噴射孔８ｈを有する円筒空間の中央流路８ｂが形成されている。前記嵌入穴８ａとその中央流路８ｂとの間には隔壁８ｃが形成され、その隔壁８ｃはガタ無く円滑に吸気バルブ５のステム部５ｃを摺動させる摺動孔８ｄが形成されている。
【００２９】
前記流体ガイド部材８には吸気ポート３の上流側に向かって流体導入路８ｅが突出するように設けられている。その流体導入路８ｅのバルジ加工８ｆを施された先端は前記吸気ポート３の中心軸３ｎａ上に配置されており、したがって、流体導入路８ｅの内径部である連通孔８ｇは、吸気ポート３の水平部分の中心軸３ｎａとδだけオフセットした位置に中心軸を有する前記中央流路８ｂとは接線方向に（図２では傾斜して）連通するように構成されている。なお、前記連通孔８ｇは図１に示すように吸気弁５のステム５ｃに向かうに従って下方向に傾斜している。
【００３０】
前記流体導入管路８ｅの先端には、例えば耐熱ゴムを使用した流体供給チューブ９が接続されている。そして、流体供給チューブ９は、吸気マニフォルド４側の図示しないアタッチメントおよび図示しないレギュレータを介して図示しない常に流体を高圧で保って貯留する流体貯留手段に接続されている。
【００３１】
前記図示しないレギュレータは、常に一定の圧力で流体を流体ガイド部材８に供給するように構成されている。
【００３２】
上述したように構成された本実施形態の燃料噴射装置によれば、図示しない流体貯留手段及びレギュレータによって一定圧を付加された流体（以降、流体を不燃性の圧縮ガスである窒素ガスとする）は、流体供給チューブ９を経て、流体ガイド部材８の流体導入路８ｅに流入する。
流体導入路８ｅに流入した窒素ガスは、連通孔８ｇから中央流路８ｂの内壁に沿って斜め上方から接線上に流入するので中央流路８ｂ内では下向きの強力な渦流Ｖが発生する。
【００３３】
図４を参照して、流体ガイド部材８の下端の噴射孔８ｈから排出された窒素ガスの渦流Ｖは、吸気弁５の傘部５ａの傾斜面に沿って旋回する（図４では渦流Ｖが単なる曲線流として描かれているが、実際は図１のような渦流である）噴流を形成しつつシリンダＣ内に流入する。
【００３４】
窒素ガスの渦流Ｖが噴流を形成しつつ吸気弁５と弁座６との狭い隙間を通過しシリンダＣ内に流入する際には、窒素ガスの渦流Ｖの「エゼクタ効果」によって吸気Ｇｆは強制的にシリンダＣ内に引き込まれると共に窒素ガスと吸気は均一に混合される。
すなわち、窒素ガス流による「エゼクタ効果」により吸気の充填効率は高められ、窒素ガスと吸気とは効率良く混合される。
【００３５】
ここで、流体が不燃性の圧縮ガスである窒素ガス（二酸化炭素、或いは空気でも良い）であれば、窒素ガスが吸気ポート３ないしシリンダＣ内で断熱膨張することにより充填吸気Ｇｆを冷却するため、
又は、流体が揮発性の気体燃料（例えばガソリン、エチルアルコール、メタノール等）であれば、揮発性の気体燃料の気化潜熱により充填吸気を冷却するため、高い圧縮率でも上死点（ＴＤＣ）におけるシリンダＣ内空気温度が過度に上昇することも無く、十分に長い着火遅れ期間を確保して、予混合圧縮着火燃焼が可能となる。
圧縮比が高く取れることにより、膨張比が高く設定出来、従来例では圧縮比を低く抑えたために熱効率の低下となっていたのに比べ、熱効率（燃費）が改善出来る。
【００３６】
また、図５に示すように、窒素ガスの供給タイミングＰｊは、吸気バルブ５の開放の終了時期に合わせている。
ここで図５中Ｌｉは吸気バルブのリフト量、Ｌｅは排気バルブのリフト量、ＴＤＣは上死点、ＢＤＣは下死点を示す。
【００３７】
そのようにすることにより、吸気ポート３を流過する吸気は窒素ガスによってシリンダＣ内への供給が妨げられることはない。
【００３８】
次に図６から図９を参照して、第２実施形態を説明する。
【００３９】
図６において、全体を符号１で示す電磁式燃料噴射弁１の先端部１Ｎは、大径部１２ａと先端側の小径部１２ｂとで形成される段付の円筒状ケーシング１２とそのケーシング１２内に装着された中心軸体１５とで構成されている。
【００４０】
図７及び図８をも参照して、前記ケーシング１２の大径部１２ａには環状の渦形成室１２ｃが形成され、その渦形成室１２ｃの上流側端部１２ｄの内周部１２ｅ近傍には図示の例では２本の流体導入路１３が渦形成室１２ｃに傾斜して連通している。
渦形成室１２ｃの下流側端部１２ｆは小径部１２ｂ内に形成された環状通路１４に連通し、該環状通路１４の端部、すなわちケーシング１２の先端は外方が拡大された円錐状開口部１４ａ（以降の説明を容易にするため、円錐を形成する角度をθとする）が形成されている。
【００４１】
一方、前記中心軸体１５の先端には、先端側が拡大し前記円錐状開口部１４ａと同じ円錐角（円錐を形成する角度）θを有する円錐台形状体１５ａが形成されている。
【００４２】
前記円錐状開口部１４ａと円錐台形状体１５ａの円錐の外周１５ｂの間には一定の隙間δである円錐環状の噴射孔１６が形成されている。
【００４３】
前記中心軸体１５は、先端の円錐台形状体１５ａに連なり、ケーシング１２の環状通路１４と渦形成室１２ｃの領域の環状通路１４の内径よりも細い小径軸部１５ｃと、その小径軸部１５ｃに連なり、ケーシング１２の渦形成室１２ｃの上方に設けられた孔１２ｇに嵌合される大径軸部１５ｄを有する。
【００４４】
前記円錐環状の噴射孔１６の開口幅δは、中心軸体１５の大径軸部１５ｄを図示しない公知の手段によって渦形成室１２ｃの上方に設けられた孔１２ｇに沿って上下に摺動させることによってその幅δを調整することが可能である。
【００４５】
図９は、前記噴射孔１６から燃料ガスを噴射させた際の円錐環状の噴霧Ｊと吸気ポート３のシリンダＣへの開口部３ａ、及び吸気行程に入り、開弁し始めた吸気弁５との位置関係を示した図である。
【００４６】
吸気ポート開口部３ａ位置での噴霧Ｊの環状の断面は、図示では明確に示されていないが、吸気ポート開口部３ａの外縁部（開口部３ａの直径）と略一致するように構成されている。
【００４７】
ここで、流体（不燃性の圧縮ガス、揮発性の液体燃料、の何れか）は、図示しない流体貯留手段から供給され供給圧力が一定であることが好ましい。
【００４８】
上述したように構成された本実施形態の燃料噴射装置１によれば、図示しない流体貯留手段及びレギュレータによって一定圧を付加された流体は、流体導入路１３から渦形成室１２ｃの内周部１２ｅ近傍に傾斜して渦形成室１２ｃに流入し（図８のＹ１矢印）、渦形成室１２ｃで強力な渦を発生する（図７のＹ２矢印）。
【００４９】
その渦流が燃料噴射弁１の先端の円錐状環状隙間の噴射孔１６から噴射された後は、流体は円錐環状の膜（噴霧）Ｊを形成する。
【００５０】
一方、吸気ポート３内には既に吸気がシリンダＣ方向に流過しており、吸気ポート３の開口部３ａと吸気弁５の外縁との隙間から、狭い隙間を通過する際に流速が急激に増加する所謂「エゼクタ効果」により、前記円錐環状の噴霧Ｊの膜を巻き込みながら勢い良くシリンダＣ内に流入する。
【００５１】
吸気ポート３のシリンダ側開口部３ａでは、噴霧Ｊの形状は吸気ポート開口部３ａの外縁部（開口部の直径）と略一致するように構成してあり、円錐環状の噴霧Ｊは、吸入弁５の背面に衝突することが無いので高運動エネルギを保ったまま効率的にシリンダＣ内に「エゼクタ効果」によって引き込まれる。したがってシリンダＣ内では流体と吸入空気は均一に混合される。
【００５２】
上記以外の効果作用は、図１〜図５の第１実施形態と実質的に同様であるので以降の説明を省略する。
【００５３】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付言する。
例えば、第１実施形態における図示の例では、流体ガイド部材８をバルブガイド７と別体で設けているが燃料ガイド部材とバルブガイド７を一体に構成することも可能である。
また、揮発性の液体燃料の変わりに、水又は水を含む液体を吸気ポートのシリンダ開口部に向けて噴霧しても良い。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列挙する。
（１）流体貯留手段から所定の圧力以上で不燃性の圧縮ガス、揮発性の液体燃料、の何れかの流体が吸気ポートに噴射され、その流体の渦流の「エゼクタ効果」によって吸気が強制的にシリンダ内に引き込まれるとともに流体と吸気が均一に混合される。
（２）流体が不燃性の圧縮ガス（例えば窒素ガス、二酸化炭素、又は空気）であれば、圧縮ガスが吸気ポートないしシリンダ内で断熱膨張することにより充填空気を冷却し、高い圧縮率でも上死点（ＴＤＣ）におけるシリンダ内空気温度の過度な上昇を防ぎ、十分に着火遅れを確保して、予混合圧縮着火燃焼が可能となる。
（３）流体が揮発性の気体燃料（例えばガソリン、エチルアルコール、メタノール等）であれば、揮発性の気体燃料の気化潜熱により充填吸気を冷却するため、高い圧縮率でも上死点（ＴＤＣ）におけるシリンダ内空気温度の過度な上昇を防ぎ、十分に着火遅れを確保して、予混合圧縮着火燃焼が可能となる。
（４）圧縮比が高く取れることにより、膨張比が高く設定出来、従来例では圧縮比を低く抑えたために熱効率の低下となっていたのに比べ、熱効率（燃費）が改善出来る。
（５）流体は流体供給手段から一定の供給圧力が付加されているので常に流体と空気の混合が安定的に行われる。
（６）流体の供給タイミングを吸気バルブ開放期間の後期とすることで、空気のシリンダ内への供給が妨げられることなく十分な空気充填効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の吸気系の構成を示す断面図。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図。
【図３】本発明の第１実施形態の噴射装置の要部を説明するための縦断面図。
【図４】本発明の第１実施形態において、吸気バルブ開弁時の流体及び吸気の流れを示した吸気ポート周辺の断面図。
【図５】本発明の実施形態における噴射期間を示した特性図。
【図６】本発明の第２実施形態の噴射装置の構成を示す断面図。
【図７】図６のＸ−Ｘ断面図。
【図８】図７のＹ矢視図。
【図９】第２実施形態によって得られる流体の噴霧の様態を示す立体図。
【図１０】従来技術による複式燃料ディーゼルエンジンの燃料供給系を説明する断面図。
【符号の説明】
１・・・燃料噴射装置
１Ｎ・・・燃料噴射弁の先端部
２・・・シリンダヘッド
３・・・吸気ポート
４・・・吸気マニフォルド
５・・・吸気弁
６・・・弁座
７・・・バルブガイド
８・・・流体ガイド部材
８ａ・・・流体導入路
９・・・流体供給チューブ
１２・・・ケーシング
１２ａ・・・大径部
１２ｂ・・・小径部
１２ｃ・・・渦形成室
１３・・・流体導入路
１４・・・環状通路
１５・・・中心軸体
１６・・・噴射孔
Ｃ・・・シリンダ
Ｊ・・・噴霧

Claims

主燃料として液体燃料を用いる圧縮着火式内燃機関において、不燃性の圧縮ガス、揮発性の液体燃料、の何れかの流体を吸気ポート内に噴射することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
前記何れかの流体を吸気ポート内に噴射する噴射装置は、吸気弁のバルブガイドの先端に設けられ流体導入路を有するガイド部材に形成された噴射孔を備えている請求項１の圧縮着火式内燃機関。
前記何れかの流体を吸気ポート内に噴射する噴射装置は、燃料噴射弁の先端部に環状の渦形成室と、その渦形成室の上流側端部の外周部近傍に渦形成室に傾斜して接続された複数の流体導入路を有し、燃料噴射弁の先端に円錐状環状隙間による噴射孔が形成されている請求項１の圧縮着火式内燃機関。
前記円錐状環状隙間を形成する円錐角度は、噴射された流体が吸気弁に到達した際に吸気ポートの開口部の外縁部と流体の円錐状環状体の部分とが一致する請求項３の圧縮着火式内燃機関。
前記何れかの流体は、流体貯留手段から所定の圧力以上で前記噴射装置に供給される請求項１〜４の何れか１項の圧縮着火式内燃機関。
前記何れかの流体の供給タイミングは、吸気バルブ開放期間の後期である請求項１〜５の何れか１項の圧縮着火式内燃機関。