JP2009062971A - ディーゼルエンジンの燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒内の燃焼室に噴射した燃料により形成される噴霧の壁面衝突後の貫徹力を強化し、ＮＯｘおよびすすの発生を十分に低減することができる燃料噴射ノズルを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】それぞれが２つの噴射孔２１，２２からなる複数の噴孔群２０を有する燃料噴射ノズル１５の各噴孔群２０の噴射孔２１，２２からの燃料噴霧の壁面衝突点距離Ｘが、燃料噴霧の壁面衝突後の燃焼室縦方向の貫徹力が極大値付近を維持し燃料の微粒化も促進できる範囲内である４．５〜７．５ｍｍとなるように、噴射孔２１，２２の噴射孔間距離および噴射孔間角度を設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、気筒内の燃焼室に直接燃料を噴射するディーゼルエンジンの燃料噴射装置、特に、それぞれが２つの噴射孔からなる複数の噴孔群を有する燃料噴射ノズルを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置に関する。

ディーゼルエンジンの燃料噴射ノズルを、複数の噴射孔からなる複数の噴孔群を有し、各噴孔群の複数の噴射孔から噴射される燃料がそれぞれ１つの燃料噴霧を形成するよう構成した、所謂、群噴孔ノズル（グループホールノズル、略してＧＨＮ）とし、噴射孔の径を小さくして燃料を微粒化しつつ、噴射孔の数を増やして全体としての噴射孔の流路面積を確保するようにしたものにおいて、各噴孔群を構成する噴射孔の噴孔間角度（噴孔中心軸間の角度）を工夫することで、燃料の微粒化促進による、すす（黒煙）の低減と、噴霧貫徹力（ペネトレーション）の強化を図ることが従来から提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−５１６２４号公報

ディーゼルエンジンから排出されるすす（黒煙）を低減するためには、群噴孔ノズル（ＧＨＮ）を採用して燃料微粒化を促進することが有効であるが、特に、着火遅れを大きくし、燃料が燃焼室壁面に当たった後で着火するよう設定する場合に、すすを一層低減し、また、すすと共に窒素酸化物（ＮＯｘ）を十分に低減するためには、燃料微粒化の促進とともに、燃焼室内の縦渦を強化して燃焼ガスの余剰空気との混合による再燃焼を促進することが重要である。そして、燃焼室内の縦渦を強化するためには、燃焼室壁面到達前の噴霧の貫徹力（ペネトレーション）を強化するのに加えて、燃料噴霧の壁面衝突後の貫徹力（ペネトレーション）を大きくして、燃焼領域下流での燃料噴霧および既燃焼ガスの縦方向の回り込みを強化する必要がある。

ディーゼルエンジンの燃焼室に噴射された燃料の噴霧は、適度な噴霧ペネトレーションの設定により、着火遅れ期間にキャビティ壁面に衝突し、壁面に沿って広がる。そして、その燃料噴霧は壁面近傍で一番良く燃え、燃焼ガス（既燃ガス）が、燃料噴霧とともに燃焼膨張流による縦渦の流れに乗り、キャビティ壁面に沿って縦方向に回り込む。そして、その回り込んだ燃料噴霧と既燃ガスが、キャビティの中央付近まで素早く達すると、その辺りには燃焼に使われていない酸素を多量に含んだ低温の余剰空気があるため、高温の既焼ガスが低温の余剰空気と混じることによって急激に冷やされて、ＮＯｘの生成が低減され、また、既焼ガスに含まれている煤が酸素と触れ合って再燃焼することで、すす（黒煙）が低減される。そこで、燃料噴霧の壁面衝突後の貫徹力（ペネトレーション）を大きくして、燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みを強化することで、既燃ガスを余剰空気と素早く混合させ、それより、ＮＯｘを低減することができるとともに、煤を再燃焼させて、すすを低減することが可能である。

しかしながら、上記従来の技術は、微粒化された噴霧同士の衝突により噴霧の貫徹力を維持し、噴孔から燃焼室壁面に至る燃焼室空間の空気を無駄なく利用して、噴霧が燃焼室壁面に到達する前に実質的に燃焼終了させるためのもので、燃料噴霧の壁面衝突後の貫徹力の強化を考慮したものではなく、燃料噴霧の壁面衝突後の貫徹力（ペネトレーション）を強化して、窒素酸化物（ＮＯｘ）およびすす（黒煙）の発生を十分に低減することができない。

本発明は、気筒内の燃焼室に噴射した燃料により形成される噴霧の壁面衝突後の貫徹力を強化してＮＯｘおよびすすの発生を十分に低減することができる燃料噴射ノズルを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本発明のディーゼルエンジンの燃料噴射装置は、ピストンの頂面中央部にピストンの動作方向における断面が凹形状に設けられて、燃焼室を形成するキャビティと、前記燃焼室の略中央に臨む位置に設けられ、燃焼室の側壁面に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置であって、前記燃焼室は、ピストン径方向の中央に位置する底部中央部分が開口端側に向かって隆起した形状を有するものであり、前記燃料噴射ノズルは、それぞれが２つの噴射孔からなる複数の噴孔群を有し、各噴孔群の前記２つの噴射孔は、それら２つの噴射孔から噴射される燃料の噴霧が燃焼室壁面に衝突した後に噴孔群毎に１つの燃料噴霧を形成し、それら２つの噴射孔から噴射された燃料の噴霧が前記燃焼室壁面に衝突したときの衝突点の間の距離が、前記燃焼室壁面衝突後に得られる燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が極大値近傍を維持する所定範囲内となるように、前記２つの噴射孔の噴射孔間の距離および噴射孔間の角度が設定されていることを特徴とするものである。

燃焼室中央部の上方から燃焼室の側壁面に向けて燃料を噴射する形態では、燃焼領域下流の燃料噴霧は燃焼室の側壁面近傍に比べて燃料噴射ノズル下方に位置する燃焼室中央付近で燃焼が促進されず余剰空気が残り易い特徴がある。そこで、上述のように燃料噴射ノズルを構成する。そうすることで、燃料微粒化を促進するとともに、壁面衝突後の燃焼室縦方向の噴霧貫徹力（ペネトレーション）を強化することができ、それにより燃焼領域下流の燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みを強化することができるため、燃料噴霧および既燃ガスが燃焼室の壁面に沿って燃料噴射ノズル下方の燃焼室中央付近に到達するようになる。その結果、既燃ガスを余剰空気と素早く混合させることができて、既燃ガスを急激に冷やしてＮＯｘの生成を抑制することができるとともに、既焼ガス中のすすの再燃焼を促進することができ、ＮＯｘおよびすすの発生を低減することができる。

２つの噴射孔から噴射された燃料の噴霧の壁面衝突後の噴霧粒径は、２つの噴射孔から噴射された燃料の噴霧が燃焼室壁面に衝突したときの衝突点の間の距離（これを「壁面衝突点距離」という）が大きくなるにつれて単調に微粒化が進む。一方、壁面衝突後の燃焼室縦方向の噴霧貫徹力（ペネトレーション）は、貫徹力が大きくなる壁面衝突点距離の範囲というのが途中にあって、その前後で単調に貫徹力が減少する。そして、この燃料噴霧の微粒化と壁面衝突後の燃焼室縦方向の噴霧貫徹力の特性は、燃焼室の大きさによらず壁面衝突点距離によって一義的に定まる。そのため、壁面衝突点距離を、壁面衝突後の燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が極大値近傍を維持する所定範囲内となるようにすることで、壁面衝突後の貫徹力を強化しつつ、燃料微粒化を促進できる範囲に維持することができるのである。壁面衝突点距離は、２つの噴射孔の噴射孔間の距離および噴射孔間の角度と、燃焼室形状（ノズル中心から燃焼室壁面上の噴霧衝突点までの距離）の設定により基本的に定まる。

ここで、燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が極大値近傍を維持する所定範囲内とは、燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が燃焼室横方向の噴霧貫徹力に対して少なくとも２０％以上大きくなる範囲内である。

そして、各噴孔群の２つの噴射孔は、２つの衝突点の間の距離（壁面衝突点距離）が４．５〜７．５ｍｍの範囲内となるように、２つの噴射孔の噴射孔間の距離および噴射孔間の角度を設定するのがよい。そうすることで、壁面衝突後の噴霧貫徹力を強化しつつ、燃料微粒化を促進することができる。

以上から明らかなように、本発明によれば、気筒内の燃焼室に噴射した燃料により形成される噴霧の壁面衝突後の貫徹力（ペネトレーション）を強化し、ＮＯｘおよびすすの発生を低減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は本発明の実施形態を示している。図１は実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室近傍の断面図、図２は燃料噴霧の壁面衝突点距離Ｘを示す説明図、図３は燃料噴霧ノズルの噴孔レイアウトのパラメータを説明するもので、（ａ）はノズル縦断面における噴孔間距離Ｙおよび噴孔間角度αの説明図、（ｂ）はノズル横断面における噴孔間距離Ｚおよび噴孔間角度βの説明図、（ｃ）は燃焼室リップ半径ｒの説明図、図４は燃料噴霧の壁面衝突後の噴霧貫徹力（ペネトレーション）を説明する説明図、図５は燃料噴霧の壁面衝突点距離Ｘと、壁面衝突後の噴霧貫徹力（ペネトレーション）、燃料噴霧の平均粒径およびスモーク性能との関係を示すグラフである。

この実施形態のディーゼルエンジンは、直列多気筒エンジンで、図１に示すように、シリンダブロック１の上部にシリンダヘッド２が配置され、シリンダブロック１に形成された各気筒のシリンダボア３内に、上下作動自在にピストン４が配置され、シリンダヘッド２とシリンダボア３とピストン４とで燃焼室５が区画形成されている。そして、シリンダヘッド２には、気筒毎に、スワール生成式の吸気ポート（ヘリカルポート）６と、排気ボート７が設けられ、吸気ポート６および排気ポート７をそれぞれ開閉するよう吸気弁８および排気弁９が配設されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒の燃焼室５の略中央に臨む位置に燃料噴射装置の燃料噴射弁１０が取り付けられている。シリンダヘッド２はフラット型であり、吸気弁８および排気弁９は直立型である。

ピストン４の頂部には、ピストン動作方向（図１において上下の方向）を軸線方向として凹入し開口端側で径が小さくなったリエントラント型のキャビティ１１が形成されている。

キャビティ１１は、燃焼室５を構成するもので、ピストン４の頂面に近い開口縁部がピストン径方向の内方へ突出する環状のリップ部１２を形成し、リップ部１２に続いてピストン径方向の外方に凹入した環状凹入部１３を形成し、また、ピストン径方向の中央に位置するキャビティ１１の底部中央部分が、該キャビティ１１の開口端側に向かって隆起した凸部１４を形成している。

燃料噴射弁１０は、先端部が燃料噴射ノズル１５を構成し、その燃料噴射ノズル１５が、ピストン４頂部のキャビティ１１に燃料を直接噴射するべく燃焼室５内に若干突出している。

そして、その燃料噴射ノズル１５には、それぞれが２つの噴射孔２１，２２からなる複数の噴孔群２０（図２参照）が、略等間隔で周方向に並ぶ配置で設けられている。噴孔群２０の数は、例えば５〜１２個である。

各噴孔群２０の噴射孔２１，２２からは、ピストン４頂部のキャビティ１１のリップ部１２壁面に向けて、キャビティ軸線方向（ピストン軸線方向）の上方から斜め下向きに燃料が噴射される。各噴孔群２０は、２つの噴射孔２１，２２から噴射される燃料の噴霧が燃焼室壁面（キャビティ１１の壁面）に衝突した後に噴孔群２０毎に１つ（一塊）の燃料噴霧３１を形成する。

そして、それぞれの噴孔群２０の各２つの噴射孔２１，２２は、図２に示すように、２つの噴射孔２１，２２から噴射される燃料の噴射方向（噴孔中心軸の方向）が、キャビティ１１のリップ部１２の壁面に、互に隣接する２点（衝突点Ａおよび衝突点Ｂ）でそれぞれ略直交し、それら隣接する２点（衝突点Ａおよび衝突点Ｂの間の距離すなわち壁面衝突点距離Ｘが、４．５〜７．５ｍｍの範囲内となるように構成されている。

壁面衝突点距離Ｘは、基本的には、２つの噴射孔２１，２２の噴射孔間の距離および噴射孔間の角度（噴孔中心軸間の角度）の設定と、ノズル中心から燃焼室壁面上の噴霧衝突点までの距離により定まる。ここで、噴射孔間の距離は、図３（ａ）に示すノズル縦断面における噴孔出口間距離Ｙと、図３（ｂ）に示すノズル横断面における噴孔出口間距離Ｚとで決まり、噴射孔間の角度は、図３（ａ）に示すノズル縦断面における噴孔間角度αと、図３（ｂ）に示すノズル横断面における噴孔間角度βとで決まる。また、ノズル中心から燃焼室壁面上の噴霧衝突点までの距離は、図３（ｃ）に示す燃焼室リップ半径ｒである。

壁面衝突点距離Ｘを求める式は次のとおりである。

ノズルスペックの各パラメータの設定範囲は、例えば、０．２５＜Ｙ＜０．５ｍｍ、０．２５＜Ｚ＜０．５ｍｍ、−５＜α＜＋５ｄｅｇ、７．５＜β＜１２．５ｄｅｇ、１４５＜θ＜１６０ｄｅｇ、２４／４３＜（ｒ／ボア半径）＜３５／４３である。θは噴孔コーン角である。

図４に示すように、燃焼室５に噴射された燃料の噴霧（燃料噴霧３１）は、着火遅れ期間にキャビティ１１壁面に衝突し、混合気３２とともにキャビティ１１の壁面に沿って広がる。そして、その燃料噴霧３１は、衝突する壁面の近傍で燃え、壁面衝突後の燃料噴霧３１Ａと既燃ガス（燃焼ガス）３３が、燃焼膨張流による縦渦の流れに乗って、キャビティ１１の壁面および下部底面に沿って縦方向に回り込む（矢印Ｔ）。そして、その回り込みが縦方向に強いと、燃料噴霧３１Ａと既燃ガス３３がキャビティ１１の中央まで素早く到達する。

キャビティ１１の中央付近には、燃焼に使われていない酸素を多量に含んだ低温の余剰空気３４が存在する。そして、壁面衝突後の燃料噴霧３１Ａおよび既燃ガス３３の縦方向の貫徹力（ペネトレーション）が大きいと、燃焼領域３５下流の燃料噴霧３１Ａおよび既燃ガス３３が縦方向に回り込み、既燃ガス３３が余剰空気３４と素早く混合させることができて、既燃ガス３３を急激に冷やしてＮＯｘの生成を抑制することができるとともに、既焼ガス３３中の煤の再燃焼を促進することができ、排出されるＮＯｘおよびスモークを低減することができる。

この実施形態の燃料噴射ノズル１５は、上記のように各噴孔群２０の２つの噴射孔２１，２２のノズルスペックが、壁面衝突点距離Ｘが４．５〜７．５ｍｍとなるよう構成されている。この場合、燃料噴霧の壁面衝突後の縦方向の噴霧貫徹力は強力で、燃料の微粒化も促進される。その結果、燃料微粒化を促進するとともに、燃料噴霧の壁面衝突後の噴霧貫徹力（ペネトレーション）を強化することができ、それにより燃焼領域下流の燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みを強化することができ、既燃ガス３３を余剰空気３４と素早く混合させることができて、既燃ガス３３を急激に冷やしてＮＯｘの生成を抑制することができるとともに、既燃ガス３３中のすすの再燃焼を促進することができ、ＮＯｘおよびすすの発生を、十分に低減することができる。

図５に示すように、２つの噴射孔から噴射された燃料の噴霧の壁面衝突後の噴霧粒径は、壁面衝突点距離Ｘ（２つの噴射孔から噴射された燃料の噴霧が燃焼室壁面に衝突したときの衝突点の間の距離）が大きくなるにつれて単調に微粒化が進む。一方、壁面衝突後の燃焼室縦方向の噴霧貫徹力（ペネトレーション）は、貫徹力が大きくなる壁面衝突点距離の範囲というのが途中にあって、その前後で単調に貫徹力が減少する。そのため、壁面衝突点距離Ｘを、壁面衝突後の燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が極大値近傍を維持する所定範囲を最適範囲として、その範囲内となるようにすることで、壁面衝突後の貫徹力を強化しつつ、燃料微粒化を促進できる範囲に維持することができる。

壁面衝突後の燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が極大値近傍を維持する所定範囲（最適範囲）内というのは、図５に示すように、壁面衝突点距離Ｘが４．５〜７．５ｍｍの範囲内である。この最適範囲内は、燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が燃焼室横方向の噴霧貫徹力に対して少なくとも２０％以上大きく、下限である４．５ｍｍは、燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が燃焼室横方向の噴霧貫徹力に対して２５％大きくなる壁面衝突点距離Ｘであり、上限である７．５ｍｍは、燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が燃焼室横方向の噴霧貫徹力に対して２０％大きくなる壁面衝突点距離Ｘである。上限側は下限側よりも平均粒径が小さくなるため、その分、エミッション対応が有利であることから、燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が燃焼室横方向の噴霧貫徹力に対して２０％大きくなる壁面衝突点距離Ｘを閾値としている。例示する実機テストのデータ（実機スモーク性能）でも、衝突点間距離Ｘが４．５〜７．５ｍｍの範囲内では、すす（スモーク）の排出量が十分低い。

図６は上記実施形態のディーゼルエンジンにおける燃料噴霧の壁面衝突後の噴霧貫徹力（ペネトレーション）に関連して、噴射孔が１つの場合と、２つの場合の、燃料を壁面に噴射した際の壁面衝突後の噴霧形状を計測した結果を示すもので、（ａ）および（ｂ）は噴射孔が１つの場合の計測結果説明図、（ｃ）および（ｄ）は噴射孔が２つの場合の計測結果説明図である。図６に示す計測結果から、普通に１つの噴射孔２３から噴射した燃料の噴霧３１を壁面に衝突させると、衝突後の噴霧３１Ａは同心円状に広がるが、上記実施形態のように、２つの噴射孔２１，２２を隣接させて適度の距離をもって配置し、それら２個の噴射孔２１，２２から噴射した燃料の噴霧３１は、１つの噴霧３１となってキャビティ１１の壁面に衝突し、その衝突後の噴霧３１Ａの広がりは、２つの噴射孔２１，２２を結ぶ線に直交する方向に増幅されて、楕円状に広がることが判る。この特性を利用することで、壁面衝突後の貫徹力（ペネトレーション）を強化することができ、それにより、壁面衝突後の燃料噴霧３１Ａおよび既燃ガス３３の縦方向の回り込みを強化することができる。

本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室近傍の断面図である。 本発明の実施形態のディーゼルエンジンにおける燃料噴霧の壁面衝突点距離Ｘを示す説明図である。 本発明の実施形態のディーゼルエンジンにおける燃料噴霧ノズルの噴孔レイアウトのパラメータを説明するもので、（ａ）はノズル縦断面における噴孔間距離Ｙおよび噴孔間角度αの説明図、（ｂ）はノズル横断面における噴孔間距離Ｚおよび噴孔間角度βの説明図、（ｃ）は燃焼室リップ半径ｒの説明図である。 本発明の実施形態のディーゼルエンジンにおける燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧の壁面衝突後の噴霧貫徹力（ペネトレーション）を説明する説明図である。 本発明の実施形態のディーゼルエンジンにおける燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧の壁面衝突点距離Ｘと、壁面衝突後の噴霧貫徹力（ペネトレーション）、燃料噴霧の平均粒径およびスモーク性能との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態のディーゼルエンジンにおける燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧の壁面衝突後の噴霧貫徹力（ペネトレーション）に関連して、噴射孔が１つの場合と、２つの場合の、燃料を壁面に噴射した際の壁面衝突後の噴霧形状を計測した結果を示すもので、（ａ）および（ｂ）は噴射孔が１つの場合の計測結果説明図、（ｃ）および（ｄ）は噴射孔が２つの場合の計測結果説明図である。

符号の説明

５ 燃焼室
１０ 燃料噴射弁
１５ 噴射ノズル
２０ 噴孔群
２１、２２ 噴射孔
３１、３１Ａ 燃料噴霧
３２ 混合気
３３ 既燃ガス（燃焼ガス）
３４ 余剰空気
３５ 燃焼領域
Ａ、Ｂ 衝突点
Ｘ 壁面衝突点距離
Ｙ ノズル縦断面における噴孔間距離
α ノズル縦断面における噴孔間角度
Ｚ ノズル横断面における噴孔間距離
β ノズル横断面における噴孔間角度
ｒ 燃焼室リップ半径

Claims (3)

1. ピストンの頂面中央部にピストンの動作方向における断面が凹形状に設けられて、燃焼室を形成するキャビティと、前記燃焼室の略中央に臨む位置に設けられ、燃焼室の側壁面に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置であって、
   前記燃焼室は、ピストン径方向の中央に位置する底部中央部分が開口端側に向かって隆起した形状を有するものであり、
   前記燃料噴射ノズルは、それぞれが２つの噴射孔からなる複数の噴孔群を有し、各噴孔群の前記２つの噴射孔は、それら２つの噴射孔から噴射される燃料の噴霧が燃焼室壁面に衝突した後に噴孔群毎に１つの燃料噴霧を形成し、それら２つの噴射孔から噴射された燃料の噴霧が前記燃焼室壁面に衝突したときの衝突点の間の距離が、前記燃焼室壁面衝突後に得られる燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が極大値近傍を維持する所定範囲内となるように、前記２つの噴射孔の噴射孔間の距離および噴射孔間の角度が設定されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
2. 前記燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が極大値近傍を維持する所定範囲内とは、前記燃焼室縦方向の噴霧貫徹力が燃焼室横方向の噴霧貫徹力に対して少なくとも２０％以上大きくなる範囲内である請求項１記載のディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
3. ピストンの頂面中央部にピストンの動作方向における断面が凹形状に設けられて、燃焼室を形成するキャビティと、前記燃焼室の略中央に臨む位置に設けられ、燃焼室の側壁面に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置であって、
   前記燃焼室は、ピストン径方向の中央に位置する底部中央部分が開口端側に向かって隆起した形状を有するものであり、
   前記燃料噴射ノズルは、それぞれが２つの噴射孔からなる複数の噴孔群を有し、各噴孔群の前記２つの噴射孔は、それら２つの噴射孔から噴射される燃料の噴霧が燃焼室壁面に衝突した後に噴孔群毎に１つの燃料噴霧を形成し、それら２つの噴射孔から噴射された燃料の噴霧が前記燃焼室壁面に衝突したとき衝突点の間の距離が、４．５〜７．５ｍｍの範囲内となるように前記２つの噴射孔の噴射孔間の距離および噴射孔間の角度が設定されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射装置。

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