JP2011064152A

JP2011064152A - 圧縮着火内燃機関

Info

Publication number: JP2011064152A
Application number: JP2009216017A
Authority: JP
Inventors: Atsuhiro Sekikawa; 敦裕関川; Koichiro Tsuzuki; 宏一郎都築; Shinichi Kobayashi; 慎一小林; Makoto Kobayashi; 誠小林
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-03-31

Abstract

【課題】有害排出ガス成分の低減を実現した圧縮着火内燃機関を提供する。
【解決手段】基準噴孔数Ｎｒ（８）、基準アスペクト比Ａｒ（４．２）、基準噴射圧Ｐｃｒ（１８０ＭＰａ）の場合の総合空気利用率を１とし、噴孔数Ｎを１０としてアスペクト比Ａと噴射圧Ｐｃとを増大させた場合とについて、総合空気利用率比を算出した。その結果、噴孔数Ｎを１０とするとともに、アスペクト比Ａを４．５、噴射圧Ｐｃを２００ＭＰａとすることにより、総合空気利用率を略２０％改善させることができ、ＮＯｘやスモークの大幅な低減を実現できた。また、スワールレシオを１．４とすることで、ポンピングロスの低減による燃料消費率の向上を実現できた。
【選択図】図６

Description

本発明は、ピストンの頂部にキャビティが形成された圧縮着火内燃機関に係り、詳しくは有害排出ガス成分の低減を実現する技術に関する。

圧縮着火内燃機関（直噴型ディーゼルエンジン等）においては、燃焼室となるキャビティ（凹部）をピストンの頂部に形成し、キャビティのリップ部（上端内縁：以下、ピストンリップと記す）に向けて燃料噴射弁から燃料を噴射する構成を採るものが一般的である。この種の圧縮着火内燃機関では、燃焼開始時点で燃料噴霧と空気とを均一に混合させることが難しく、そのことがＮＯｘ（窒素酸化物）やスモーク（黒煙）を増大させる要因となっていた。そこで、リエントラント型のキャビティがピストンに形成された圧縮着火内燃機関について、リエントラント率やアスペクト比等を所定の値に設定することで燃料噴霧と空気との均一な混合を図り、スモークの低減を全運転領域で実現する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００６−２９２９２号公報

ＮＯｘやスモークの低減を実現するためには、燃料噴霧がピストンリップに衝突する前における空気の有効利用（すなわち、水平方向の空気利用率）と、燃料噴霧がピストンリップに衝突した後における空気の有効利用（すなわち、上下方向の空気利用率）とを両立させることが重要である。通常、水平方向の空気利用率は、アスペクト比を増大させること、燃料噴射弁の噴孔数を多くすること、スワール流による円周方向への拡散を増大させること等によって向上させることができる。また、上下方向の空気利用率は、レール圧を増大させてペネトレーションを強くし、ピストンリップに衝突した後に燃料噴霧を拡散させること等によって向上させることができる。しかしながら、スワールレシオをいたずらに高くした場合、ポンピングロスが増大して燃料消費率が低下する問題があった。また、特許文献１では、燃料噴霧がピストンリップに衝突する前後の影響と、噴射圧力（すなわち、燃料噴霧のペネトレーション）による影響とが考慮されていないため、ＮＯｘやスモークの低減を最大限に図ることが難しかった。

本発明は、上記状況に鑑みなされたものであり、有害排出ガス成分の低減を実現した圧縮着火内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、頂部にキャビティが形成されたピストンと、前記キャビティの上縁であるピストンリップに燃料を噴射する燃料噴射弁とを有する圧縮着火内燃機関であって、前記燃料が前記ピストンリップに衝突する前の空気利用率を、前記燃料噴射弁の噴射孔の数と、燃料噴霧の円周方向のスワールレシオとに基づいて水平方向空気利用率として定義し、前記燃料が前記ピストンリップに衝突した後の空気利用率を、前記燃料噴射弁の噴射圧力に基づいて上下方向空気利用率として定義し、前記キャビティについて、最大径を最大深さで除した値をアスペクト比とした場合、前記水平方向空気利用率と上下方向空気利用率とに基づき、前記アスペクト比を４．２〜４．６の範囲で設定したことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明に係る圧縮着火内燃機関において、前記燃料噴射弁の噴射圧力を制御する噴射圧力制御手段を更に備えたことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明に係る圧縮着火内燃機関において、前記スワールレシオを２．０以下に設定したことを特徴とする。

第１の発明によれば、水平方向空気利用率と上下方向空気利用率とをバランスさせることができ、ＮＯｘやスモークの低減が可能となる。また、第２の発明によれば、燃料噴霧がピストンリップに衝突する際のエネルギを増大させることで、燃料噴霧が上下方向に拡散しやすくなり、ＮＯｘやスモークの更なる低減が可能となる。また、第３の発明によれば、ポンピングロスの低減によって燃料消費率を向上させることが可能となる。

実施形態に係る圧縮着火内燃機関の要部縦断面図である。実施形態に係るキャビティの平面図である。実施形態に係るキャビティの水平方向空気利用率を示す平面図である。実施形態に係る水平方向空気利用率の変化を示すグラフである。実施形態に係るキャビティの上下方向空気利用率を示す平面図である。実施形態に係る総合空気利用率の変化を示すグラフである。スワールレシオによるポンピングロスや燃料消費率の変化を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明をリエントラント型のキャビティをピストン頂面に有するディーゼルエンジンに適用した一実施形態を詳細に説明する。

≪実施形態の構成≫
図１に示すように、本実施形態のディーゼルエンジン１は、シリンダ２に摺動自在に保持されたピストン３と、シリンダヘッド４に固定された燃料噴射弁５とを有している。ピストン３の頂面にはリエントラント型のキャビティ６が形成される一方、燃料噴射弁５は図示しないコモンレールから供給された燃料をピストンリップ７に向けて噴射する。

本実施形態の場合、キャビティ６は、そのアスペクト比Ａ（最大径Ｄを最大深さＨで除した値）が４．５に設定されている。

図２に示すように、燃料噴射弁５は、所定の噴霧角αを有するとともに、周方向に等角度間隔（３６°間隔）で配置された１０の噴孔８を有している。また、燃料噴射弁５は、図示しないコモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する電子制御式のものであり、２００ＭＰａの噴射圧をもって燃料を噴射するが、噴射圧を図示しない燃圧調整手段によって増減させることができる。

≪実施形態の作用≫
本発明者等は、上述した構成を得るにあたって、噴孔８の個数（以下、噴孔数と記す）Ｎ、アスペクト比Ａ、噴射圧Ｐを適宜変更しながら、水平方向空気利用率、上下方向空気利用率および全体の空気利用率等を計測した。ここで、比較の対象とする基準値として、基準噴孔数Ｎｒを８、基準アスペクト比Ａｒを４．２と、基準噴射圧Ｐｃｒを１８０ＭＰａと設定した。

（水平方向空気利用率）
水平噴射面積（平面視での噴射面積）Ｓは、各噴孔８の噴霧角α、キャビティ６の最大径Ｄ、燃料噴射弁５の噴孔数Ｎから、下式によって算出される。
Ｓ＝（α／３６０）×π×（Ｄ^２／４）×Ｎ
この式から判るように、噴霧角αおよび最大径Ｄが等しい場合、水平噴射面積Ｓの総和（すなわち、水平方向空気利用率）は噴孔数Ｎに比例して増加する（図３参照）。

また、アスペクト比Ａが基準アスペクト比Ａｒ（４．２）から増大すると、ＤＡ＝Ａ／Ａｒ×Ｄとして、水平噴射面積Ｓの増大率Ｓａは下式によって与えられる（図３参照）。
Ｓａ＝（α／３６０）×π×｛（ＤＡ^２−Ｄ^２）／４｝×Ｎ

本発明者等は、基準噴孔数Ｎｒ（８）、基準アスペクト比Ａｒ（４．２）の場合の水平方向空気利用率を１とし、基準噴孔数Ｎｒのままでアスペクト比Ａを増大させた場合と、噴孔数Ｎを１０としてアスペクト比Ａを増大させた場合とについて、水平方向空気利用率比を算出した。その結果、図４に示すように、噴孔数Ｎを１０とするとともに、アスペクト比Ａを増大させることによって水平方向空気利用率が向上することが判った。

（上下方向空気利用率）
燃料噴霧は、スワールが強くなるほどピストンリップ７に衝突する際の圧力（衝突圧Ｐｆ）が低下し、上下方向に拡散し難くなる。そこで、噴孔数Ｎを多くし、スワールを弱くすることにより、衝突時における燃料噴霧のエネルギーを保つことができる。基準噴孔数Ｎｒ（８）の場合の衝突圧Ｐｆｒに対し、噴孔数Ｎを変化させた場合の衝突圧Ｐｆは下式によって与えられる。
Ｐｆ＝（Ｎ／Ｎｒ）×Ｐｆｒ

一方、アスペクト比Ａが大きくなるほど、噴孔８からピストンリップ７までの距離が長くなるため、上下方向に燃料噴霧が拡散し難くなる。基準アスペクト比Ａｒ（４．２）の場合の拡散率Ｒｄｒに対し、アスペクト比Ａを変化させた場合の拡散率Ｒｄは下式によって与えられる。
Ｒｄ＝（Ａｒ／Ａ）×Ｒｄｒ

本発明者等は、基準噴孔数Ｎｒ（８）、基準アスペクト比Ａｒ（４．２）の場合の上下方向空気利用率を１とし、基準噴孔数Ｎｒのままでアスペクト比Ａを増大させた場合と、噴孔数Ｎを１０としてアスペクト比Ａを増大させた場合とについて、上下方向空気利用率比を算出した。その結果、図５に示すように、噴孔数Ｎを１０とするとともに、アスペクト比Ａを４．５程度とすることによって上下方向空気利用率が向上することが判った。

（衝突時エネルギ）
燃料噴霧は、ピストンリップ７に衝突する際のエネルギ（衝突時エネルギ）が大きいほど、上下方向に拡散しやすくなる。基準噴射圧Ｐｃｒ（１８０ＭＰａ）の場合の衝突時エネルギＥｃｒに対し、噴射圧Ｐｃを変化させた場合の衝突時エネルギＥｃは下式によって与えられる。
Ｅｃ＝（Ｐｃ／Ｐｃｒ）×Ｅｃｒ

（総合空気利用率）
本発明者等は、基準噴孔数Ｎｒ（８）、基準アスペクト比Ａｒ（４．２）、基準噴射圧Ｐｃｒ（１８０ＭＰａ）の場合の総合空気利用率を１とし、噴孔数Ｎを１０としてアスペクト比Ａと噴射圧Ｐｃとを増大させた場合とについて、総合空気利用率比を算出した。その結果、図６に示すように、噴孔数Ｎを１０とするとともに、アスペクト比Ａを４．５、噴射圧Ｐｃを２００ＭＰａとすることにより、総合空気利用率を略２０％改善させることができ、ＮＯｘやスモークの大幅な低減を実現できることが判明した。なお、図６から判るように、アスペクト比Ａは、４．２〜４．６の範囲であれば基準アスペクト比Ａｒの場合よりも総合空気利用率が高くなるため、この範囲で選択することが望ましい。なお、噴射圧Ｐｃは、衝突時エネルギＥｃ（すなわち、総合空気利用率比）を向上させる観点からは高い方が望ましいが、燃料ポンプの体格が大きくなるデメリットを考慮すると２４０ＭＰａ程度が上限となる。

一方、本発明者等は、スワールレシオを様々に変えて、ポンピングロスおよび燃料消費率の変化を計測した。その結果、図７に示すように、３．０にした場合を基準にすると、スワールレシオを２．０以下にすることでポンピングロスが有意に低下し、１．４とすることで燃料消費率を大幅に向上させることができた。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、噴孔数を１０とした、噴射圧を２００ＭＰａとしたが、噴孔数を１１以上したり、噴射圧を２００ＭＰａを超えるものとしてもよい。その他、キャビティの形状やアスペクト比等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。

２シリンダ
３ピストン
４シリンダヘッド
５燃料噴射弁
６キャビティ
７ピストンリップ
８噴孔
Ａアスペクト比
Ａｒ基準アスペクト比
Ｄ最大径
Ｈ最大深さ
Ｎ噴孔数

Claims

頂部にキャビティが形成されたピストンと、前記キャビティの上縁であるピストンリップに燃料を噴射する燃料噴射弁とを有する圧縮着火内燃機関であって、
前記燃料が前記ピストンリップに衝突する前の空気利用率を、前記燃料噴射弁の噴射孔の数と、燃料噴霧の円周方向のスワールレシオとに基づいて水平方向空気利用率として定義し、
前記燃料が前記ピストンリップに衝突した後の空気利用率を、前記燃料噴射弁の噴射圧力に基づいて上下方向空気利用率として定義し、
前記キャビティについて、最大径を最大深さで除した値をアスペクト比とした場合、
前記水平方向空気利用率と上下方向空気利用率とに基づき、前記アスペクト比を４．２〜４．６の範囲で設定したことを特徴とする圧縮着火内燃機関。
前記燃料噴射弁の噴射圧力を制御する噴射圧力制御手段を更に備えたことを特徴とする、請求項１に記載された圧縮着火内燃機関。
前記スワールレシオを２．０以下に設定したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載された圧縮着火内燃機関。