JP2008163918A - 筒内噴射式内燃機関における燃焼方法および筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】煤、ＮＯ_x，ＣＯ，ＨＣを同時に低減する。
【解決手段】筒内噴射式圧縮着火内燃機関において、燃料噴射弁６に噴孔径が０．１mm以下の噴孔２３を１８個以上形成する。これら噴孔２３から燃料を噴射することによってシリンダ内における燃焼場における当量比をＣＯおよび煤が生成されない０から１．２の範囲にすると共に燃焼場における燃焼ガス温をＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲にする。
【選択図】図１

Description

本発明は筒内噴射式内燃機関における燃焼方法および筒内噴射式内燃機関に関する。

圧縮上死点前６０度以前の圧縮行程中又は吸気行程中において燃焼室内に燃料を噴射すると共に、このときの噴射燃料の平均粒径を燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後にそのときの圧力により定まる主要燃料成分の沸点に達する粒径以上とし、排気ガス再循環率をほぼ４０パーセント以上に制御し、噴射後ほぼ圧縮上死点に達するまでは燃料粒子からの沸騰による燃料の蒸発を阻止すると共にほぼ圧縮上死点後に燃料粒子の燃料を沸騰蒸発させて燃料を着火燃焼せしめるようにした筒内噴射式内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
特開平９−２８７５２７号公報

この筒内噴射式内燃機関では５００μｍ以上の粒径の極めて大きな燃料粒子を燃焼室内に分散させた後、これら燃料粒子の燃料を圧縮上死点後に着火燃焼させ、それによってＮＯ_xおよび煤を同時に低減するようにしている。しかしながらこのように燃料粒子の粒径を大きくすると全ての燃料を良好に燃焼させることが難かしく、斯くして多量のＨＣ，ＣＯが発生するという問題がある。

このように従来ではＮＯ_x、煤、ＨＣ，ＣＯのいずれかを減少させようとするといずれかが増大してしまうというのが実情である。これは従来よりＮＯ_x、煤、ＨＣ，ＣＯの発生要因について不明の点が多かったからである。
本発明者は長期間に亘る研究の結果、ＮＯ_x、煤、ＨＣ，ＣＯの有害４成分が生成しない運転状態を見い出し、それによってこれら有害４成分が大気中に排出されるのを抑制することのできる燃焼方法を得るに至ったのである。

即ち、本発明によれば筒内噴射式内燃機関において、シリンダ内における燃焼場における当量比をＣＯおよび煤が生成されない０から１．２の範囲にすると共に燃焼場における燃焼ガス温をＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲にする。

更に本発明によれば、噴孔径が０．１mm以下の複数個の噴孔を有する燃料噴射弁をシリンダヘッド内壁面上に配置し、これら噴孔から燃料を噴射することによってシリンダ内における燃焼場における当量比をＣＯおよび煤が生成されない０から１．２の範囲にすると共に燃焼場における燃焼ガス温をＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲にする。

ＮＯ_x、煤、ＨＣ，ＣＯの有害４成分を同時に低減することができる。

図１（Ａ）は本発明者により求められた局所燃焼場におけるＮＯ_x，ＣＯ，ＣＨ₄，ＨＣの生成濃度（ppm）を示している。なお、図１（Ａ）において縦軸は燃焼場における当量比φ（＝１／空気過剰率）を示しており、横軸は燃焼場における燃焼ガス温Ｔ（°Ｋ）を示している。また、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に基づいて作成された煤、ＮＯ_x，ＨＣ，ＣＨ₄＋ＣＯの生成領域を示している。なお、図１（Ａ）では煤の生成領域が省略されている。

図１（Ａ），（Ｂ）からわかるように当量比φがほぼ１．２以上になると、即ち過濃になるとＣＨ₄およびＣＯが生成され、更に過濃になると煤が生成される。従って煤およびＣＯが生成しないようにするには当量比φを１．２以下にしなければならない。一方、燃焼ガス温Ｔがほぼ２０００°Ｋを越えるとＮＯ_xが生成され、従ってＮＯ_xが生成されないようにするには燃焼ガス温Ｔを２０００°Ｋ以下にしなければならない。また、燃焼ガス温Ｔがほぼ１２００°Ｋよりも低くなるとＨＣが生成され、従ってＨＣが生成されないようにするには燃焼ガス温Ｔを１２００°Ｋ以上にしなければならない。

即ち、煤、ＮＯ_x，ＨＣ，ＣＯの有害４成分が生成しないようにするには燃焼場における当量比をＣＯおよび煤が生成されない０から１．２の範囲にすると共に燃焼場における燃焼ガス温をＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲にしなければならないことが判明したのである。そこで本発明では、筒内噴射式内燃機関において、シリンダ内における燃焼場における当量比をＣＯおよび煤が生成されない０から１．２の範囲にすると共に燃焼場における燃焼ガス温をＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲にするようにしている。

次に、シリンダ内における燃焼場における当量比をＣＯおよび煤が生成されない０から１．２の範囲にすることができると共に燃焼場における燃焼ガス温をＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲にすることのできる筒内噴射式内燃機関について説明する。この筒内噴射式内燃機関の一例が図２から図５に示されている。

まず初めに筒内噴射式圧縮着火式内燃機関の全体図を示す図１と側面断面図を示す図２とを参照すると、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はシリンダ２ａ内を往復動するピストン、５はピストン４の頂面上に形成されたピストンキャビティ、５ａはキャビティ５内に形成された燃焼室、６はシリンダヘッド３の内壁面３ａの中央部に配置された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している。

吸気ポート８は吸気マニホルド９に連結され、吸気マニホルド９は吸気ダクト１０を介して排気ターボチャージャ１１のコンプレッサ１１ａの出口に連結される。一方、コンプレッサ１１ａの入口はエアクリーナ１２に連結される。吸気ダクト１０内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１３が配置され、更に吸気ダクト１０周りには吸気ダクト１０内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１４内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１５に連結され、排気マニホルド１５は排気ターボチャージャ１１の排気タービン１１ｂの入口に連結される。排気タービン１１ｂの出口は排気管１６に連結される。

排気マニホルド１５と吸気マニホルド９とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１７内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１８が配置される。また、ＥＧＲ通路１７周りにはＥＧＲ通路１７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１９が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１９内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２０を介してコモンレール２１に連結される。このコモンレール２１内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２２から燃料が供給され、コモンレール２１内に供給された燃料は各燃料供給管２０を介して燃料噴射弁６に供給される。

本発明による実施例では吸気ポート８は各気筒毎に夫々一対設けられており、燃焼室５ａ内にスワールが発生しないように各吸気ポート５はまっすぐに延びるストレートポートから形成されている。

一方、図４に示されるように本発明では燃料噴射弁６の先端部に噴孔径が０．１mm以下の複数個の噴孔２３が形成されている。噴孔２３の個数は１８個から４０個位が好ましく、図４に示される実施例では０．０８mmの噴孔径を有する噴孔２３が２２個形成されている。

また、本発明による実施例では図５に示されるようにピストンキャビティ５の頂部周辺部に半径方向内方に突出したリップ部が設けられておらず、ピストンキャビティ５の周壁面５ｂはシリンダヘッド内壁面３ａに向けて拡開している。即ち、図５に示される実施例ではシリンダ軸線に垂直な断面内におけるピストンキャビティ周壁面５ｂの断面形状が円形をなしており、ピストンキャビティ周壁面５ｂはシリンダヘッド内壁面３ａに近ずくほど円形断面の径が大きくなるように形成されている。

本発明による実施例では圧縮上死点前６０度から圧縮上死点までの間に燃料噴射弁６から燃焼室５ａ内に燃料が噴射される。このとき径の小さな多数の噴孔２３から燃焼室５ａ内に燃料が噴射されるので燃料は燃焼室５ａ内全体に均一に分散する。ただし、噴孔２３の径が小さいために各噴孔２３から噴出した各燃料の貫徹力は弱く、従って噴射燃料が燃焼室５ａの周壁面５ｂに到達して周壁面５ｂに付着することはない。

その結果、全ての噴射燃料が燃焼室５ａ内に分散せしめられるので燃料は空気と十分に混合し、斯くして着火燃焼が行われる頃には局所的な当量比が１．２以下となる。従って燃焼が行われるときに燃焼場における当量比は１．２以下となり、斯くしてＣＯおよび煤が生成されるのが阻止されることになる。

また、本発明では全ての噴射燃料が燃焼室５ａ内に均一に分散せしめられるので分散した燃料液滴の周りには多量の空気が存在することになる。従って空気の冷却作用によって燃焼時の燃焼温は抑制され、斯くして燃焼場における燃焼ガス温はＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲となる。

ピストンキャビティ５の頂部周辺部に半径方向内方に突出するリップ部を形成するとピストン４が上昇するときにピストンキャビティ周壁面５ｂに沿って上昇する強力な気流が発生すると共にピストン４が上死点を過ぎて下降するときにシリンダヘッド内壁面３ａとピストン４の頂面間に向かう強力なスキッシュ流が発生する。しかしながら本発明では噴射燃料が燃焼室５ａ内に均一に分散されるのでこのようなピストンキャビティ周壁面５ｂに沿って上昇する気流の発生やスキッシュ流の発生、およびスワールの発生はこのような噴射燃料の均一な分散を阻害することになる。

従って本発明による実施例ではこのようなピストンキャビティ周壁面５ｂに沿って上昇する気流やスキッシュ流が発生しないようにピストンキャビティ５の周壁面５ｂはシリンダヘッド内壁面３ａに向けて拡開するように形成されており、吸気ポート８は燃焼室５ａ内にスワールを発生させないようにストレートポートから形成されている。

なお、機関負荷が高くなると燃焼時の発熱量が大きくなるために燃焼場における燃焼ガス温が２０００°Ｋを越えるようになる。従ってこの場合、本発明による実施例ではＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量））を増大させることによってシリンダ内のＥＧＲガス量を増大し、ＥＧＲガスの吸熱作用によって燃焼場における燃焼ガス温を２０００°Ｋ以下まで低下させるようにしている。

また、本発明の実施例におけるように噴孔径の小さな燃料噴射弁６を用いている場合には機関負荷が高くなって燃料噴射量が増大したときに過給圧が高くなって噴霧が広がらなくなるために過濃な領域が形成され、斯くしてＮＯ_xや煤が生成されるようになる。従って本発明による実施例では機関高負荷運転時に大部分の主燃料を圧縮上死点前６０度から圧縮上死点の間に噴射し、一部の補助燃料を主燃料よりも前に噴射するようにしている。次にこのことについて図６（Ａ）および（Ｂ）を参照しつつ説明する。

内燃機関では圧縮上死点前５０度位まではピストン４が上昇してもシリンダ内の圧力はあまり上昇せず、圧縮上死点前５０度付近を越えると圧力が上昇を開始する。一方、シリンダ２ａ内の圧力が低いときにはシリンダ２ａ内における空気の密度が低いために抵抗が小さく、従ってこのとき燃料を噴射すると燃料の到達距離が長くなる。従って本発明による実施例では圧縮上死点前４０度よりも前に、好ましくは圧縮上死点前５０度よりも前に少量の補助燃料が主燃料に先立って噴射される。このとき空気の抵抗が小さいために図６（Ａ）に示されるように補助燃料Ｇａはシリンダ２ａの外周縁部まで達する。

次いで圧縮上死点近くになると図６（Ｂ）に示されるように主燃料Ｇｍが噴射される。このときにはシリンダ２ａ内の空気の密度が高くなっているために噴射燃料の到達距離が短かくなり、従って噴射燃料はピストンキャビティ５の周壁面５ａの近傍までしか広がらない。即ち、噴射燃料はシリンダ２ａ内の中央部に広がることになる。従って、主燃料Ｇｍに加え補助燃料Ｇａを噴射することによってシリンダ２ａ内の空気全体を十分に利用することができ、その結果有害４成分の生成が抑制される運転領域を高負荷側まで拡大することができることになる。

なお、この実施例では噴射時の空気の密度差による噴霧の貫徹力の差異を利用して噴霧を燃焼室５ａ内全体に分配するようにしているので補助燃料が噴射された後に間隔をおいて主燃料を噴射する必要がある。因みに図６に示される実施例では主燃料の噴射開始時期と補助燃料の噴射開始時期とが４０度以上離れている。また、補助燃料Ｇａの噴射量は全噴射量の１５パーセント以上とされる。この補助燃料Ｇａの噴射は２回或いはそれ以上行うことができ、この場合には補助燃料Ｇａの噴射量の合計が全噴射量の１５パーセント以上とされる。

一方、この補助燃料Ｇａの噴射時期が早いためにこの補助燃料Ｇａは予混合気化が進み、従ってこの補助燃料Ｇａは予混合燃焼に近い燃焼が行われる。このように予混合燃焼に近い燃焼が行われるとＮＯ_xや煤の発生が抑制されるが燃焼圧が高くなるので圧縮比は比較的低い圧縮比とされている。本発明による実施例では圧縮比は１４以下とされている。

煤、ＮＯ_x，ＣＯ，ＨＣの生成領域を示す図である。 筒内噴射式圧縮着火内燃機関の全体図である。 図２に示される内燃機関の側面断面図である。 燃料噴射弁の先端部の正面図である。 燃焼室周りの側面断面図である。 燃焼室周りの側面断面図である。

符号の説明

２ シリンダブロック
２ａ シリンダ
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ ピストンキャビティ
５ａ 燃焼室
６ 燃料噴射弁
２３ 噴孔

Claims (8)

1. 筒内噴射式内燃機関における燃焼方法であって、シリンダ内における燃焼場における当量比をＣＯおよび煤が生成されない０から１．２の範囲にすると共に燃焼場における燃焼ガス温をＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲にする燃焼方法。
2. 噴孔径が０．１mm以下の複数個の噴孔を有する燃料噴射弁をシリンダヘッド内壁面上に配置し、これら噴孔から燃料を噴射することによってシリンダ内における燃焼場における当量比をＣＯおよび煤が生成されない０から１．２の範囲にすると共に燃焼場における燃焼ガス温をＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲にする筒内噴射式内燃機関。
3. 排気ガスを吸気通路内に再循環させることによって燃焼場における燃焼ガス温をＮＯ_xおよびＨＣが生成されない１２００°Ｋから２０００°Ｋの範囲にする請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
4. 燃料噴射時期が圧縮上死点前６０度から圧縮上死点の間とされる請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
5. シリンダ軸線に垂直な断面内におけるピストンキャビティ周壁面の断面形状が円形をなしており、ピストンキャビティ周壁面はシリンダヘッド内壁面に近ずくほど円形断面の径が大きくなるように形成されている請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
6. 機関高負荷運転時には大部分の主燃料が圧縮上死点前６０度から圧縮上死点の間に噴射され、一部の補助燃料が主燃料よりも前に噴射される請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
7. 上記補助燃料の量は全噴射燃料量の１５パーセント以上である請求項６に記載の筒内噴射式内燃機関。
8. 主燃料の噴射開始時期を補助燃料の噴射開始時期とが４０度以上離れている請求項６に記載の筒内噴射式内燃機関。

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