JP2009167993A

JP2009167993A - 燃焼向上化装置

Info

Publication number: JP2009167993A
Application number: JP2008010350A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ishida; 順一石田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】燃料直噴式内燃エンジンの燃焼効率の向上化、および、排気ガス中の二酸化炭素や黒煙などの減少化を図ることのできる燃焼向上化装置が望まれている。
【解決手段】燃焼向上化装置１は、内燃エンジンＡのシリンダＳに配備された燃料噴射弁３と接続された燃料供給管４に取着されて、燃料噴射弁３からシリンダ内１１に直に噴射される燃料Ｆを振動させる圧電素子２，２を備えている。これらの圧電素子２，２は、燃料噴射弁３から噴射された燃料Ｆを振動させることのできる位置、すなわち燃料供給管４における燃料噴射弁３直近位置に配備されている。また、圧電素子２を燃料供給管４に着脱可能に取着する取付部を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射弁から噴射した燃料をシリンダ内で燃焼させる内燃エンジンの燃焼効率を高める燃焼向上化装置に関するものである。

一般に、ディーゼルエンジンから発生する黒煙は、噴射された燃料を素早く気化させることで発生を抑制できることが知られている。現状では、噴射圧力を高めて高圧噴射する方式（いわゆる分配型コモンレール方式）を採用することで燃焼効率の向上化および黒煙発生の削減化に対応しているが、環境規制および排気ガス規制がいっそう厳しくなっており、更なる対策が必要となっている。

そこで、内燃エンジンの燃料供給系統に超音波振動子を配備して燃料を霧化させる技術が、下記の特許文献１〜４に記載されている。例えば、特許文献１には、ディーゼルエンジンのシリンダ内にディーゼル燃料を直接噴射する直噴用燃料噴射弁を備えるとともに、吸気経路に補助燃料供給手段を設け、この補助燃料供給手段としてディーゼル燃料を霧化する超音波振動子を用いたものが記載されている。また、特許文献２〜特許文献４には、ガソリンエンジンの吸気経路内に燃料噴射弁を設けるとともに、燃料噴射弁から噴き込まれたガソリンに超音波振動を与えて霧化させる超音波振動子を吸気経路壁に設けたものが記載されている。

特公昭６３−６４６２９号公報特開２００２−１０６３８４号公報特開平５−２０９５７８号公報特開平５−１３３２９２号公報

ところが、特許文献１の技術であれば、ディーゼルエンジンの吸気経路内に超音波振動子配備用の構成を組み込まなければならないことから、既存のエンジンに採用する場合は大幅なエンジン内部改造を必要とする。また、特許文献２〜特許文献４の技術はプラグ点火式のガソリンエンジンの吸気経路に超音波振動子を設けたものであるが、ガソリンエンジンも、シリンダ内にガソリンを直に噴射する燃料噴射弁を備える環境に優しい燃料直噴エンジンが主流になりつつある。

一方で、大型トラックやバスは廃車になるまで１５０万ｋｍ〜２００万ｋｍも走行使用されるが、ディーゼルエンジンの経時使用による燃料噴射弁の劣化によって、燃料噴射後の後垂れによる後燃え現象が生じやすくなり、煤の発生が公害問題となる。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、燃料直噴式内燃エンジンの燃焼効率の向上化、および、排気ガス中の二酸化炭素や黒煙などの減少化を図ることのできる燃焼向上化装置の提供を目的とする。また、前記第１の目的を内燃エンジンの内部改造を伴うことなく実現することを第２の目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃焼向上化装置は、内燃エンジンのシリンダに配備された燃料噴射弁に、または該燃料噴射弁と接続された燃料供給管に取着されて、燃料噴射弁からシリンダ内に直に噴射される燃料を振動させる圧電素子を具備して成るものである。

また、前記の構成において、圧電素子を燃料噴射弁または燃料供給管に着脱可能に取着する取付部を備えているものである。

本発明に係る内燃エンジンの燃焼向上化装置によれば、燃料噴射弁または燃料供給管に取着された圧電素子から生じた超音波により、燃料噴射弁からシリンダ内に直に噴射される燃料が高速振動するので、燃料噴射弁から噴射された燃料はシリンダ内で拡散しやすくなる。かかる拡散噴射が燃料を気化させやすくし、ひいては燃焼効率の向上化を図ることができる。これにより、燃費の削減化、および、排気ガス中の二酸化炭素、窒素酸化物、黒煙、煤などの減少化ができる。その結果、省エネルギーおよび地球環境の保全に寄与する。

また、圧電素子を燃料噴射弁または燃料供給管に着脱可能に取着する取付部を備えているものでは、エンジン内部を改造する必要がなく、簡単に外付けすることができる。従って、現在使用中のエンジンにも適用することができる。すなわち、このような簡単な構成によって、既存内燃エンジンの燃焼効率の向上化を図ることができる。

本発明の最良の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下に述べる実施形態は本発明を具体化した一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものでない。図１は本発明の一実施形態に係る燃焼向上化装置およびディーゼルエンジンの概略構成図、図２は前記燃焼向上化装置および燃料噴射弁の側断面図、図３は前記燃焼向上化装置を燃料供給管に取着した図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
各図において、この実施形態に係る燃焼向上化装置１が適用される内燃エンジンとして、ディーゼルエンジンＡが例示される。ディーゼルエンジンＡは、ピストンＰが摺動するシリンダ内１１，１１，１１，１１を有するシリンダブロックＢＬと、シリンダブロックＢＬの筒開口部に被設されたシリンダヘッドＨと、からなるシリンダＳを備えている。シリンダヘッドＨには、各シリンダ内１１に対応して燃料噴射弁３，３，３，３が配備されている。燃料噴射弁３，３，３，３は燃料供給管４，４，４，４を介して燃料高圧ポンプ１０，１０，１０，１０と接続されている。

また、ディーゼルエンジンＡは、燃料Ｆを貯留する燃料タンク５と、燃料タンク５から燃料Ｆを汲み上げて燃料高圧ポンプ１０，１０，１０，１０に送る燃料汲み上げポンプ６と、燃料汲み上げポンプ６と各燃料高圧ポンプ１０との間に配備されたストレーナ７とを備えている。燃料タンク５と燃料汲み上げポンプ６とストレーナ７と各燃料高圧ポンプ１０との間はそれぞれ燃料配管８で接続されている。すなわち、このディーゼルエンジンＡは、燃料汲み上げポンプ６出側の燃料配管８から複数の燃料高圧ポンプ１０，１０，１０，１０が並列に分岐接続された、いわゆる配列噴射型のエンジンである。

そして、燃焼向上化装置１は、前記の燃料噴射弁３と接続された燃料供給管４に取着された、例えば２つの圧電素子２，２を備えている。これらの圧電素子２，２は、燃料噴射弁３から噴射された燃料Ｆを振動させることのできる位置、すなわち燃料供給管４における燃料噴射弁３直近位置に配備されている。各圧電素子２は、対をなす電気音響変換素子２５および電気音響変換素子２６と、前後一対の挟持ブロック２４，２４と、電気音響変換素子２５，２６および挟持ブロック２４，２４を燃料供給管４に着脱可能に取着する取付部３２とから構成されている。この場合、上記の電気音響変換素子２５，２６は、例えば本多電子株式会社製の圧電セラミクスをリング板状に改造して用いてある。また、取付部３２は、燃料供給管４の外周面を挟持する１対の半割リング部２７，２７と、各半割リング部２７の両側のフランジ部２８，２８に形成されたボルト穴３７，３７に挿通されるボルト２９，２９と、ボルト２９，２９と螺合するナット３１，３１とから構成されている。

素子駆動装置３８は圧電素子２に駆動用電力を出力するために電気音響変換素子２５，２６に配線接続された装置であって、トランジスタスイッチングにより高周波パルスを発生する増幅回路と、増幅回路と前記圧電素子２との間に接続されて双方のインピーダンスの整合をとる整合回路と、整合回路と増幅回路との間に帰還接続されて圧電素子２の負荷変動信号を帰還させるための帰還回路とを備えている。これらの回路はいずれも公知であるため図示は省略する。また、燃料向上化装置１は、ディーゼルエンジンＡ側に配備されているジェネレータＧからの交流電源を直流電源（２４Ｖ）に変換する整流部３０と、整流部３０からの直流電源を蓄える専用バッテリＢとを備えている。

一方、燃料噴射弁３は公知の弁であり、縦方向の軸穴１３が一連に形成された本体ケーシング１２および先端ケーシング１５を備えている。先端ケーシング１５は本体ケーシング１２の下部に装着されている。軸穴１３は先端ケーシング１５の下端における開口部分がノズル孔１６となっている。この燃料噴射弁３はノズル孔１６がシリンダ内１１を臨むようにシリンダヘッドＨに配置されている。そして、軸穴１３には、ノズル孔１６を開閉する弁棒２３が上下移動自在に収容されている。軸穴１３の上部はコイルバネ２１の収容室となっている。前記の収容室内で、弁棒２３の上端にコイルバネ２１の下部が支持され、コイルバネ２１の上部がバネ押え２２に被設されている。本体ケーシング１２のケース上部内には雌ネジ座９が装着されており、雌ネジ座９の雌ネジ部に調節ネジ２２Ａの雄ネジ部が噛合している。バネ押え２２は調節ネジ２２Ａの下部軸部に回動自在に軸支されている。すなわち、調節ネジ２２Ａをドライバなどで回すことにより、調節ネジ２２Ａが上下移動をしてコイルバネ２１による弁棒２３への押圧力（すなわち燃料吐出圧）を調整できるようになっている。コイルバネ２１の収納室はニップル１９内の燃料戻り通路２０と連通している。燃料戻り通路２０は燃料配管（図示省略）を介して燃料タンク５と連通している。また、本体ケーシング１２および先端ケーシング１５内には、一端がノズル孔１６近傍の軸穴１３と連通する燃料供給通路１４が形成されている。燃料供給通路１４の他端部の本体ケーシング１２にはろ過ケーシング１７が連結されている。ろ過ケーシング１７はその内部の燃料供給通路１８に高圧フィルタ（符号付け省略）を内蔵しており、燃料供給通路１８は燃料供給通路１４と連通している。ろ過ケーシング１７の先端には既述の燃料供給管４が接続されている。

上記のように構成されたディーゼルエンジンＡ（例えば最高回転数３０００ｒｐｍ）の燃焼向上化装置１の作用を図１〜図３を用いて説明する。まず、ディーゼルエンジンＡが駆動すると、燃料タンク５の燃料Ｆが燃料汲み上げポンプ６により汲み上げられて燃料高圧ポンプ１０，１０，１０，１０に供給され、各燃料高圧ポンプ１０は燃料Ｆを燃料噴射弁３に高圧圧送し、燃料供給通路１４内の燃料Ｆが所定圧に達したときに弁棒２３が移動しノズル孔１６を開いて燃料Ｆをシリンダ内１１に直に噴射する。また、素子駆動装置３８は整流部３０または専用バッテリＢからの２４Ｖの直流電源により作動して出力電流を圧電素子２に給電し、電気音響変換素子２５，２６を超音波振動させる。そこで、燃料Ｆは燃料噴射弁３の直前で燃焼向上化装置１の圧電素子２，２からの振動（例えば振動数４００００Ｈｚ）を受ける。圧電素子２，２からの超音波振動は液体の燃料Ｆ中でも伝播しやすく、燃料噴射弁３が閉じているときの燃料供給通路１４内で高圧に保持されている燃料Ｆにも伝わる。そして、燃料噴射弁３が開くと、ノズル孔１６から噴射される燃料Ｆは、高圧噴射圧力と、超音波振動によるいわゆるドラッグデリバリー効果との相乗作用によって、シリンダ内１１の全体にわたり均一に拡散して噴射される。これにより、燃料Ｆの気化速度が速くなり着火爆発力が大きくなる。

因みに、軽油や重油は気化させにくいので、シリンダ内１１で如何に拡散させるかが重要となるが、拡散噴射された燃料Ｆが小さな均一の粒子となって拡がるので、燃料Ｆの気化を促進することができる。一般に、ディーゼルエンジンでは、初期爆発を大きくすることにより中期、後期の爆発が大きくなることが知られている。そこで、上記のように燃料Ｆを拡散噴射させることにより、初期爆発を大きくすることができ、ひいては中期、後期の爆発を大きくすることができる。従って、完全燃焼による燃焼効率の上昇、排気ガス中の二酸化炭素、窒素酸化物、黒煙、煤などの減少化を図ることができる。その結果、省エネルギー、環境に優しい地球温暖化の抑制に寄与する。

ところで、燃料噴射弁３は常に高温高圧状態で使用されるので劣化が進みやすく、弁の経年劣化により噴射後の燃料Ｆの後垂れ現象が発生し、後燃えの原因となって排気中の煤発生原因となる。しかしながら、この燃焼向上化装置１によれば、燃料噴射弁３にも超音波振動が伝わるので、ノズル孔１６からの燃料Ｆの切れがよくなり、後垂れ現象の発生を抑制することができる。これにより、爆発力の増大化につながって燃費が良くなることはもとより、後垂れ現象の発生を抑制することで、排気ガスがクリーンになり環境負荷も小さくなるという利点を有する。
また、この燃焼向上化装置１は、乗用車用の小型ディーゼルエンジンに適用できるのは言うまでもなく、軽油や重油を使う産業用の大型ディーゼルエンジン（例えば船舶、発電機、トラックなどに用いるディーゼルエンジン）にも用いことができ、その場合は現代社会への貢献度合が絶大なものとなる。

そして、この燃焼向上化装置１は、圧電素子２を燃料噴射弁３近傍の燃料供給管４に着脱可能に取着する取付部３２を備えているので、エンジン内部を改造する必要がなく、簡単に外付けすることができる。従って、現在使用中のエンジンにも適用することができる。すなわち、このような簡単な構成によって、既存内燃エンジンの燃焼効率の向上化を図り得るのである。

尚、上記の実施形態では、複数のシリンダ内１１にそれぞれ対応した燃料噴射弁３毎に高圧燃料を供給する複数の１０，１０，１０，１０を備えるディーゼルエンジンＡ（図１）に燃焼向上化装置１を適用した例を示したが、本発明に係る燃焼向上化装置は、例えば図４に示したディーゼルエンジンＡａに適用することも可能である。このディーゼルエンジンＡａは、ストレーナ７の下流側に燃料高圧ポンプ１０Ａが配備されており、燃料高圧ポンプ１０Ａの吐出側に燃料配管４１を介してコモンレール４０が接続されている。コモンレール４０には燃料噴射弁３，３，３，３がそれぞれ燃料供給管４を介して接続されている。コモンレール４０は燃料全体を均一な高圧にして拡散しやすくさせるものである。この場合、各燃料噴射弁３とコモンレール４０との間の燃料供給管４に、燃焼向上化装置１の圧電素子２，２が取り付けられている。

かかる構成のディーゼルエンジンＡａにおいても、既述したディーゼルエンジンＡと同様に、燃料噴射弁３または燃料供給管４に取着された圧電素子２から生じた超音波により、燃料噴射弁３からシリンダ内１１に直に噴射される燃料Ｆが圧電素子２からの超音波により高速振動するので、燃焼効率の向上化につながり、省エネルギーと地球温暖化の抑制を図ることができる。

一方で、図５に示すような燃焼向上化装置１ａも本発明に含まれる。この燃焼向上化装置１ａは、燃料噴射弁３に直に取着される圧電素子２ａを備えている。この圧電素子２ａは、円板状の電気音響変換素子２５ａ，２６ａと、それらの上側と下側に配置された１対の挟持ブロック２４ａ，２４ａとが積層されて、ブロック状に形成されている。下側の挟持ブロック２４ａの下面には、雄ネジ部３５が溶接などで連結されている。雄ネジ部３５は、本体ケーシング１２の上面に穿設された雌ネジ穴３４に螺合して固定される。すなわち、本体ケーシング１２の雌ネジ穴３４に螺止される圧電素子２ａの雄ネジ部３５が、圧電素子２ａを燃料噴射弁３に着脱可能に取着する「取付部３２ａ」の例となる。図５において、図２に示した燃料噴射弁３と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略している。尚、符号の３３は燃料供給通路１４と連通していて燃料供給管４が接続される供給口であり、３６は燃料噴射弁３をシリンダＳのシリンダヘッドＨに固定保持する押え座金である。

かかる燃焼向上化装置１ａによれば、圧電素子２ａが燃料噴射弁３に直に取着されているので、燃料噴射弁３からシリンダ内１１に噴射される燃料Ｆを、前述の燃焼向上化装置１と比べて、より強く振動させることができ、拡散噴射をより確実なものにすることが可能となる。

尚、取付部３２，３２ａを省略し、燃料噴射弁３の本体ケーシング１２自体、あるいは燃料噴射弁３に接続された燃料供給管４の燃料噴射弁３近傍位置に、取付部の無い圧電素子の両側側板を溶接などで直付けしたものも、本発明に含まれる。
また、上記では圧電素子を常時振動させるようにしているが、燃料噴射弁３からの燃料噴射タイミングに同期させて圧電素子を間欠的に振動させるようにしても構わない。

そして、上記では内燃エンジンとしてのディーゼルエンジンに燃焼向上化装置を適用した例を示したが、本発明が適用される内燃エンジンとしてはガソリンエンジンでも構わない。例えば、近年出回りつつある直噴式のガソリンエンジン、すなわちシリンダに配備された燃料噴射弁からガソリンをシリンダ内に直に噴射する方式のエンジンである。この場合も、ガソリンエンジンの燃料噴射弁に、またはこの燃料噴射弁と接続された燃料供給管に、燃焼向上化装置の圧電素子が取着される。このようなガソリンエンジンに燃焼向上化装置を適用した場合でも、ディーゼルエンジンの場合と同種の相応の効果が得られる。

本発明の一実施形態に係る燃焼向上化装置およびディーゼルエンジンの概略構成図である。前記燃焼向上化装置および燃料噴射弁の側断面図である。前記燃焼向上化装置を燃料供給管に取着した図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。本発明の別の実施形態に係る燃焼向上化装置およびディーゼルエンジンの概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る燃焼向上化装置の側面および燃料噴射弁の側断面を示す図である。

符号の説明

１，１ａ燃焼向上化装置
２，２ａ圧電素子
３燃料噴射弁
４燃料供給管
１１シリンダ内
１６ノズル孔
２４，２４ａ挟持ブロック
２５，２５ａ，２６，２６ａ電気音響変換素子
２７半割リング部
２８フランジ部
２９ボルト
３０整流部
３１ナット
３２，３２ａ取付部
３７ボルト穴
Ａ，Ａａディーゼルエンジン（内燃エンジン）
Ｆ燃料
Ｓシリンダ

Claims

内燃エンジンのシリンダに配備された燃料噴射弁に、または該燃料噴射弁と接続された燃料供給管に取着されて、燃料噴射弁からシリンダ内に直に噴射される燃料を振動させる圧電素子を具備して成ることを特徴とする燃焼向上化装置。
圧電素子を燃料噴射弁または燃料供給管に着脱可能に取着する取付部を備えている請求項１に記載の燃焼向上化装置。