JP2008208791A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】コモンレール式ディーゼルエンジンにおいて、グロープラグ及びコモンレールに対する落下物からの保護やシリンダヘッド内の冷却水通路の改善を行う。また、ディーゼルエンジンの上下方向の高さを短くコンパクトに構成する。
【解決手段】上部に冷却水通路ｂを有するシリンダヘッド１に接続する吸気マニホールド２の下方から吸気ポート１ａの下側にグロープラグ３を嵌入させると共に、該グロープラグ３の下方にコモンレール５を配置して設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの構成とする。また、吸気マニホールド２の側壁２ａ下部に凹部ａを構成し、該凹部ａにグロープラグ３を配置する構成としたことを特徴とするディーゼルエンジンの構成とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、ディーゼルエンジンに関し、コモンレール方式を用いたディーゼルエンジンに属する。

従来、ディーゼルエンジンにおいてコモンレールを配置したものは実用化されているが、コモンレールは運転中に大きな内圧を受けるため亀裂や損傷を防止する必要があると共に、コモンレールには圧力センサ等の部品が装着されているためこれらの損傷についても防止する必要がある。

このため、コモンレールの過熱の防止や冷却の効率化、及びメンテナンス時における落下物等からコモンレールとその部品を保護するため、コモンレールをシリンダヘッドの下方でシリンダブロックの横側方に配置するもの等が開示されている。（例えば、特許文献１参照）
特開２００５−２６４８４６号公報

しかし、このようなディーゼルエンジンの如く、コモンレールをシリンダヘッドの下方でシリンダブロックの横側方に配置している点では、コモンレールの性能確保やメンテナンス時の保護のためには良好な手段であるが、シリンダヘッドの上面部位置に燃料噴射弁と共にグロープラグ（ヒートプラグ）を配置している点では、グロープラグをメンテナンス時に落下物等から保護することができ難いものであると共に、グロープラグがシリンダヘッド内の冷却水通路の障害となるため、充分に冷却水通路が確保され難くエンジンの耐久信頼性が損なわれる恐れがある。また、ディーゼルエンジンの高さを短くコンパクトに構成する。

そこで本発明は、このようなグロープラグに対する落下物等からの保護やシリンダヘッド内の冷却水通路の確保について改善を行うものである。

請求項１の発明は、上部に冷却水通路（ｂ）を有するシリンダヘッド（１）に接続する吸気マニホールド（２）の下方から吸気ポート（１ａ）の下側にグロープラグ（３）を嵌入させると共に、該グロープラグ（３）の下方にコモンレール（５）を配置して設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの構成とする。

このような構成により、多気筒ディーゼルエンジンにおいて、吸気マニホールド（２）の下方から内方に向け嵌入させたグロープラグ（３）は、シリンダヘッド（１）の吸気ポート（１ａ）下側に沿う状態で気筒内へ突出させた内端部を赤熱可能に作用させる。また、グロープラグ（３）外端部の下方、つまり吸気マニホールド（２）の下方側にコモンレール（５）を近接装着して配置させるので、エンジンを平面視すると、コモンレール（５）は吸気マニホールド（２）の影に隠れて見えない。また、グロープラグ（３）はシリンダヘッド（１）上部の冷却水通路（ｂ）に影響を与えない。

請求項２の発明は、前記吸気マニホールド（２）の側壁（２ａ）下部に凹部（ａ）を構成し、該凹部（ａ）にグロープラグ（３）を配置する構成とした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の構成とする。

このような構成により、吸気マニホールド（２）の側壁（２ａ）下部に設けた凹部（ａ）から内方に向けグロープラグ（３）を嵌入させる。そして、グロープラグ（３）は吸気マニホールド（２）の凹部（ａ）に設けているので、コンパクトな配置となる。

請求項１の発明では、上記作用の如く、ディーゼルエンジンにおいて、吸気マニホールド（２）の下方から嵌入させたグロープラグ（３）と、グロープラグ（３）の下方、つまり吸気マニホールド（２）の下方側にコモンレール（５）を近接装着させることにより、グロープラグ（３）とコモンレール（５）は吸気マニホールド（２）の影になって平面視見えない状態であるので、吸気マニホールド（２）の上方からの落下物（燃料、オイル等）からグロープラグ（３）とコモンレール（５）を保護できる。

また、グロープラグ（３）を吸気ポート（１ａ）の下側に沿う状態で嵌入させることにより、シリンダヘッド（１）内上部の冷却水通路（ｂ）がグロープラグ（３）に邪魔されることなく確保され、エンジンの耐久信頼性を向上できると共に、冷却室の断面積が大きくなるため鋳造時の歩留まりが良く、コスト低減が可能となる。

請求項２の発明では、上記作用の如く、吸気マニホールド（２）の側壁（２ａ）下部に構成している凹部（ａ）からグロープラグ（３）を嵌入させている。即ち、吸気マニホールド（２）の側壁（２ａ）とグロープラグ（３）がオーバーラップしているので、エンジンの上下方向の高さを短くコンパクトにすることができるようになる。

多気筒のディーゼルエンジンにおいて、シリンダヘッド１に接続する吸気マニホールド２の側壁２ａ下方から、吸気ポート１ａの下側にグロープラグ３を嵌入させると共に、このグロープラグ３の下方にコモンレール５を配置して設ける。

以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示す如く、コモンレール式（蓄圧式燃料噴射）を採用している多気筒のディーゼルエンジン６についてシステム図によりその概要を説明する。コモンレール式とは、各気筒へ燃料を噴射する燃料噴射装置への燃料供給を、要求された圧力とするコモンレール５（蓄圧室）を介して行うものである。

燃料タンク１１内の燃料は、吸入通路により燃料フィルタ１２を介して該エンジン６で駆動される燃料噴射ポンプ１３に吸入され、この噴射ポンプ１３によって加圧された高圧燃料は、吐出通路１４によりコモンレール５に導かれて蓄えられる。

該コモンレール５内の高圧燃料は、各高圧燃料供給通路１６により気筒数分の燃料噴射弁１７に供給され、エンジンコントロールユニット１８（以下ＥＣＵという）からの指令に基づき、各気筒毎に燃料噴射弁１７が開弁作動して、高圧燃料が該エンジン６の各燃焼室内に噴射供給され、各燃料噴射弁１７での余剰燃料（リターン燃料）は、各リターン通路１９により共通のリターン通路２０へ導かれ、リターン通路２０によって燃料タンク１１へ戻される。

また、コモンレール５内の燃料圧力（コモンレール圧）を制御するため燃料噴射ポンプ１３に圧力制御弁２１が設けられており、この圧力制御弁２１はＥＣＵ１８からのデューティ信号によって、燃料噴射ポンプ１３から燃料タンク１１への余剰燃料のリターン通路２０の流路面積を調整するものであり、これによりコモンレール５側への燃料吐出量を調整してコモンレール圧を制御することができる。

具体的には、エンジン運転条件に応じて目標コモンレール圧を設定し、レール圧センサ２２により検出されるコモンレール圧が目標コモンレール圧と一致するよう、圧力制御弁２１を介してコモンレール圧をフィードバック制御する。

図２に示す如く、農作業機等におけるコモンレール式ディーゼルエンジン６のＥＣＵ１８は、回転数と出力トルクの関係において走行モードＭ１と通常作業モードＭ２及び重作業モードＭ３の三種類の制御モードを設けている。

走行モードＭ１は、回転数の変動で出力も変動するドループ制御として、農作業を行わず移動走行する場合に使用するものであり、例えば、ブレーキを掛けて走行速度を減速したり停止したりすると、この走行負荷の増大に伴ってエンジン回転数が低下するため走行速度の減速や停止を安全に行うことができる。

通常作業モードＭ２は、負荷が変動しても回転数が一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御として、通常の農作業を行う場合に使用するものであり、例えば、トラクターであれば耕耘作業時に耕地が固く耕耘刃に抵抗が掛かるとき、コンバインであれば収穫作業時に収穫物が多く負荷が増大したときでも、出力が変動して回転数を維持するのでオペレータが楽に操縦できる。

重作業モードＭ３は、通常作業モードＭ２と同様に負荷が変動しても回転数一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御に、負荷限界近くになると回転数を上昇させて出力を上げる重負荷制御を加えた制御で、特に、負荷限界近くで農作業を行う場合に使用するものであり、例えば、トラクターで耕耘作業を行っている際に、特に、固い耕地に遭遇してもエンジン出力が通常の限界を越えて増大するので作業を中断することがない。

これらの作業モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、作業モード切替スイッチの操作、又は走行変速レバーの変速操作、作業クラッチの入り切り操作等によって切り替わるように構成する。

従来、ディーゼルエンジンでは、メイン噴射に先立って少量の燃料をパルス的に噴射するパイロット噴射を行うことにより、着火遅れを短縮してディーゼルエンジン特有の、所謂ノック音を低減することが知られている。

このパイロット噴射は、メイン噴射の前に１回乃至２回に固定して行われるものであったが、前記コモンレール５のシステムを用いることで、エンジンの状況に応じてパイロット噴射の状態を変化させ、騒音の低減や不完全燃焼による白煙又は黒煙の発生を抑制できる。

図６，図７，図８示す如く、ディーゼルエンジン６は、多気筒形態のコモンレール式でシリンダブロック２３の上部にシリンダヘッド１を、下部にオイルパン２４を配設すると共に、前部にギヤケース２５とラジエータファン２６を、後部にフライホイル２７を各々配設させる。２８はクランク軸である。

図３，図４に示す如く、該シリンダヘッド１の側部に接続する吸気マニホールド２の側壁２ａ下部側に、各気筒７毎のグロープラグ３を内方に向け嵌入させる凹部ａを設け、この凹部ａからグロープラグ３をシリンダヘッド１の吸気ポート１ａ下側に沿う状態で気筒７内へその内端部を嵌入突設させると共に、グロープラグ３の外端部下方となる吸気マニホールド２の下部側に近接するシリンダブロック２３の上端側近傍に、コモンレール５を装着配置させる構成とする。グロープラグ３は、凹部aの下面a１の奥側の傾斜面a２に沿って挿入している。

このような構成により、多気筒ディーゼルエンジンにおいて、吸気マニホールド２の側壁２ａ下部に設けた凹部ａから内方に向けグロープラグ３を嵌入させると共に、吸気マニホールド２の下方側にコモンレール５を近接装着させていることにより、メンテナンス時にグロープラグ３とコモンレール５を落下物等から保護することができる。

該グロープラグ３を吸気ポート１ａの下側に沿う状態で嵌入させていることにより、シリンダヘッド１内の冷却水通路ｂがグロープラグ３に邪魔されることなく確保されエンジン６の耐久信頼性を向上できると共に、冷却水通路ｂの断面積が大きくなるため鋳造時の歩留まりが良くコスト低減が可能となる。

なお、図５に示す如きディーゼルエンジンは４気筒の実施例である。シリンダヘッド１に示すように、吸気側バルブＩＶは２弁であり、排気側バルブＥＶも２弁である。１７は燃料噴射弁である。このような４弁式燃焼室の多気筒ディーゼルエンジンにおいても、前記と同様の作用効果を有する。

また、コモンレール式のディーゼルエンジン６において、低温始動時等で失火が発生し易い条件では、始動時のマップを予め切り替えておいても失火が発生する場合があるため、図９の線図に示す如く、各気筒７の回転変動を読み取るクランク角センサの検出値ｃにより失火の有無を判定し、失火が発生した場合には、図１０のフローチャートに示す如く、燃料噴射タイミングの進角，パイロット噴射量の増量，レール圧の上げ等の噴射系制御による処理を行い、失火が無くなるまで噴射マップを切り替えて、失火を速く収束させることができる。

また、コモンレール式のディーゼルエンジン６において、２弁式燃焼室のものでは排ガス規制の強化に伴い、燃料噴霧の到達距離が短いと噴霧が壁面に衝突するため排ガス成分が悪化することから、排ガス性能向上のため燃料噴霧を燃焼室全体に亘って行き渡らせる必要がある。

このため、２弁式燃焼室のものにおいて、図１１に示す如く、前記シリンダヘッド１に対し燃料噴射弁１７を角度ｄを有して取付け、燃料噴射弁１７による燃料噴霧角が角度ｅにて等しくなるよう噴霧角を左右対称とすると共に、燃料噴射弁１７の噴射方向に対し燃料噴霧の到達距離が伸びるよう、ピストン８上面の燃焼室８ａを入口径ｆに対し左右非対称（点線部）となるよう堀込むことにより、燃焼室８ａ全体に亘って燃料噴霧が行き渡るため、燃焼効率が向上し排ガス性能が良好となる。

また、コモンレール式のディーゼルエンジン６において、４弁式燃焼室のものでは排ガス規制の強化に伴い、小噴口径化や多噴口径化が進んでおり、燃焼効率向上のため燃料噴霧を燃焼室全体に亘って行き渡らせる必要がある。

このため、４弁式燃焼室のものにおいて、図１２に示す如く、複数の噴口を持つ燃料噴射弁１７の先端形状にて、ピストン８上面の燃焼室８ｂに対する噴射方向を浅堀込み部ｇと深堀込み部ｈを組み合わせた上下２方向とすることにより、燃焼室８ｂ全体に亘って燃料噴霧が行き渡るため燃焼効率が向上すると共に、浅堀込み部ｇはピストン８上面に対する吸排気弁の逃げ部を元として堀込んでいるため逃げ部による無駄な容積が生じることがない。

また、コモンレール式のディーゼルエンジン６において、通常では単一のコモンレール５により燃料供給を行うものが一般的であるが、パイロット噴射とメイン噴射の噴射圧力を各々変化させることによって燃焼改善を行うべく、前記図１に示す如き単一のコモンレール５を、図１３に示す如く、低圧噴射対応の低圧用コモンレール５ａと高圧噴射対応の高圧用コモンレール５ｂの２系統に分離し、前記燃料噴射ポンプ１３から低圧用コモンレール５ａと高圧用コモンレール５ｂとに各々燃料供給可能に接続させ、パイロット噴射では低圧用コモンレール５ａから、メイン噴射では高圧用コモンレール５ｂから各燃料噴射弁１７に燃料の供給を行う構成とする。なお、燃料噴射弁１７についても低圧，高圧の２系統を備えるようにしてもよい。

このような構成により、図１４に示す如く、通常、気筒７内に噴射された燃料が直ぐには燃焼を開始せずに生じる着火遅れ期間ｊにより一斉に燃焼を開始する急激燃焼期間ｋが発生するため、エンジン騒音（ディーゼルノックの増加）や排気ガスの悪化（Ｎｏｘの増加）の要因となっていたものを、全負荷領域等でメイン噴射が高圧になる場合においても、パイロット噴射時の噴射圧力が低くなるため噴射率が小さくなり、急激燃焼期間ｋの噴射量（熱発生量）を低減し燃焼改善を行うことができる。

また、従来の電子制御エンジンでは、図１５に示す如く、クランク軸２９と同期して回転するクランクホイール３０による角度パルスの発生を角度センサ３１によって読み取ると共に、エンジン回転数の１／２の回転比となるカム軸３２のストロークセンサ３３により各気筒３４のストロークを判別し、その確定後に燃料の噴射が開始されるため、クランク軸２９が２回転する間は気筒判別ができないこととなり、メカ制御エンジンに比し始動性が劣るという難点があった。

このような難点を改良するため、図１６に示す如く、エンジン始動直後のストローク判別中において、上死点時の全ての気筒３４に対し徐々に燃料を増加して噴射させる制御を行うことにより、始動性の向上を図ることができる。

なお、前記の如きエンジン始動直後のストローク判別中において、図１７に示す如く、上死点時の限定した気筒３４に対し徐々に燃料を増加して噴射させる制御を行うことにより、始動性の向上を図ることができる。

なお、前記の如きエンジン始動直後のストローク判別中において、図１８に示す如く、クランキングによる圧縮抵抗でクランク軸２９の回転速度が低下するピークを検出し、最初に検出された圧縮のピークを基準に全気筒３４に対し燃料噴射の制御を行うことにより、始動性の向上を図ることができる。

また、農作業機としてのトラクター等において、従来、耕耘作業等における旋回制御では、図１９（ａ）に示す如く、旋回の条件を判断すると一気にエンジン回転数を低下させて走行するため、急激な速度変動と不必要な速度低下が発生し作業性が悪くなるという難点があった。

このような難点を改良するため、図１９（ｂ）に示す如く、旋回の条件を判断したときは、徐々にエンジン回転数を低下させ安全に旋回すると共に、旋回の終了により徐々にエンジン回転数を上昇させ円滑に作業速度に移行する制御を自動的に行わせることにより、オペレータ操作の簡略化と作業性低下の防止を図ることができる。

また、農作業機としてのコンバイン等において、従来では、図２０（ａ）に示す如く、エンジンルームのラジエータカバー３５内に設けているラジエータ３６の前面近傍位置にインタークーラ３７を配置しているものが一般的であるが、このようにすると、各々の部品が風の流れの抵抗となり各冷却装置への冷却風の流れが悪くなり冷却効率が低下するという難点があった。

このような難点を改良するため、図２０（ｂ）に示す如く、インタークーラ３７とラジエータ３６を各々上下位置に離隔して配置することにより、各冷却装置に冷却風が直接当たるようになるため冷却効率を向上させることができる。

トラクターやコンバイン等の農作業機を始め一般車両にも利用可能である。

コモンレールによる蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンを示すシステム図。 三種類の制御モードによるエンジン回転数と出力トルクの関係を示す線図。 エンジン本体のグロープラグとコモンレールの装着状態を示す部分側面図。 吸気マニホールドから嵌入させるグロープラグの装着状態を示す背断面図。 ４弁燃焼室を有する４気筒エンジンのシリンダヘッドの配列を示す平面図。 コモンレール式多気筒ディーゼルエンジンにおける全体構成を示す側面図。 コモンレール式多気筒ディーゼルエンジンにおける全体構成を示す平面図。 コモンレール式多気筒ディーゼルエンジンにおける全体構成を示す背面図。 エンジン各気筒における回転変動を読み取る検出値の変異状態を示す線図。 噴射系制御により失火が無くなるまでの処理手順を示すフローチャート。 ２弁式燃焼室エンジンのピストン上面の燃焼室の状態を示す作用構造図。 ４弁式燃焼室エンジンのピストン上面の燃焼室の状態を示す作用構造図。 コモンレールを低圧用と高圧用に分離して設けた状態を示すブロック図。 パイロット噴射時における急激燃焼期間の噴射量の低減状態を示す線図。 電子制御エンジンにおいて各気筒のストローク判別機構を示す正断面図。 ストローク判別中の上死点の全気筒に対する燃料噴射状態を示す作用図。 ストローク判別中の上死点の限定気筒に対し燃料噴射状態を示す作用図。 クランキング時の圧縮抵抗で回転速度低下のピーク検出状態を示す線図。 （ａ）トラクターの旋回時に一気にエンジン回転を低下させる状態を示す線図。 （ｂ）トラクターの旋回時に徐々にエンジン回転を低下させる状態を示す線図。 （ａ）コンバインのインタークーラとラジエータを前後配置状態とした側面図。 （ｂ）コンバインのインタークーラとラジエータを上下配置状態とした側面図。

符号の説明

ａ 凹部
ｂ 冷却水通路
１ シリンダヘッド
１ａ 吸気ポート
２ 吸気マニホールド
２ａ 側壁
３ グロープラグ
５ コモンレール

Claims (2)

1. 上部に冷却水通路（ｂ）を有するシリンダヘッド（１）に接続する吸気マニホールド（２）の下方から吸気ポート（１ａ）の下側にグロープラグ（３）を嵌入させると共に、該グロープラグ（３）の下方にコモンレール（５）を配置して設けたことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記吸気マニホールド（２）の側壁（２ａ）下部に凹部（ａ）を構成し、該凹部（ａ）にグロープラグ（３）を配置する構成とした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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