JP2013253601A - 圧縮点火型ディーゼルエンジンの噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】比較的均質な空気・ディーゼル燃料混合気の形成を可能にするために、噴射されるディーゼル燃料の蒸発により希薄な混合気を提供するための組み合わせを可能にするとともに、ＮＯ_ｘの放出を制限するためのディーゼル燃料の点火噴射を保証する噴射システムを提供する。
【解決手段】独立に制御可能な補助噴射ノズル（１０１）が設けられている。該補助噴射ノズルは、燃料の沸点以上の部材温度を持つ燃焼室（１１７）の上部壁領域または画成領域に燃料（１２１，１２２）を供給するための噴射角を備えている。前記補助噴射ノズル（１０１）を介してまず自己発火限界温度以下で均質な混合気の形成が行なわれ、前記シリンダ内部の温度および圧力の状態変化に従って他の噴射ノズル（１０７）を介して点火噴射用の燃料量を導入可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御可能な吸気弁と排気弁とを備え、ピストンを備えたシリンダの燃焼室内に設けた複数の噴射ノズルを用いて燃料噴射を制御するための圧縮点火型ディーゼルエンジンの噴射システムであって、１つの噴射ノズルが前記燃焼室の上方ほぼ中央に配置されている前記噴射システムに関するものである。

エンジン内での燃焼の際の高温度により、ＮＯ_ｘ化合物が形成される。燃焼温度が高ければ高いほど、ＮＯ_ｘの放出量が多くなる。ＮＯ_ｘの形成を少なくするため、希薄な混合気による燃焼が行われるよう努力がはらわれる（過剰空気）。

ディーゼル機関の場合、混合気の不均質形成により、燃焼が化学量論的に（過剰空気なしで）経過するようなゾーンが生じる。このため、原理的には、過剰空気を伴う定圧燃焼の場合には、均質な混合気形成を伴う定容プロセスの場合よりも多量のＮＯ_ｘが放出される。

ディーゼル機関においてＮＯ_ｘの形成を制限するには、均質な燃焼を得ることが必要である。同時に、燃焼中に液状形態の燃料を燃焼室にダイレクトに供給して、ディーゼルプロセスの更なる利点が得られるようにしなければならない。しかしながら、これは今日の技術水準によれば目的に相反するものである。というのは、通常の噴射システムにおいてディーゼル燃料を非常に早く噴射させると、デトネーション状の燃焼（ディーゼルノック）が発生し、機械的な損傷が生じるからである。

本発明の課題は、比較的均質な空気・ディーゼル燃料混合気の形成を可能にするために、噴射されるディーゼル燃料の蒸発により希薄な混合気を提供するための組み合わせを可能にするとともに、ＮＯ_ｘの放出を制限するためのディーゼル燃料の点火噴射を保証する、この種の噴射システムを提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、独立に制御可能な補助噴射ノズルが設けられ、該補助噴射ノズルは、燃料の沸点以上の部材温度を持つ燃焼室の上部壁領域または画成領域に燃料を供給するための噴射角を備え、補助噴射ノズルを介してまず自己発火限界温度以下で均質な混合気の形成が行なわれ、シリンダ内部の温度および圧力の状態変化に従って他の噴射ノズルを介して点火噴射用の燃料量を導入可能であることを特徴とするものである。

ディーゼル燃料と蒸発表面との接触によって燃料が蒸発し、よって燃焼室内にある空気との混合気が形成される。これにより、極端な過剰空気と燃焼室内での温度レベルとのために自己発火しないような均質な混合気が形成される。従って燃焼時のＮＯ_ｘ成分を低減させることができる。さらに、燃焼室内にある着火不能な均質な混合気により燃焼室内の温度レベルを低下させることができ、この場合点火に必要なディーゼルエンジンの次の噴射は通常どおりに行われる。

さらに、供給された燃料を蒸発させるために十分な温度を得るため、補助噴射ノズルは、フレームリングの領域および／または排気弁の領域に燃料を供給するために適した噴射角で配向されている。

これとは択一的な実施態様は、請求項３ないし５の構成によってそれぞれ特徴づけられている。

燃料の最適な蒸発を保証するため、蒸発表面は最初の噴射時点で２００℃と５００℃の間の温度、特に２００℃と３５０℃の間の温度を有していてよい。

さらに、本発明の構成では、補助噴射ノズルは可変噴射角および／または可変穴径を有している。

それ故、噴射弁の閉弁後にして主噴射を開始する前に１つまたは複数の補助噴射ノズルを介して燃料の供給を行なう。

さらに、補助噴射ノズルによる燃料の供給を、通常のディーゼルエンジンの場合には下死点後１０゜のクランク軸角度と下死点後４０゜のクランク軸角度との間で行い、特に下死点後１７゜のクランク軸角度と下死点後２３゜のクランク軸角度との間で行い、ミラーサイクルまたはアトキンソンサイクル型のディーゼルエンジンの場合には下死点前８０゜のクランク軸角度と下死点後４０゜のクランク軸角度との間で行ない、他の噴射ノズルによる点火噴射を上死点前２０゜のクランク軸角度と上死点前０゜のクランク軸角度との間で行う。

このため、特に、補助噴射ノズルによる燃料噴射を下死点後１７゜のクランク軸角度と下死点後２３゜のクランク軸角度との間で行う。

図面には、本発明の実施形態が図示されている。
複数の噴射ノズルを備えたシリンダの断面図で、補助噴射ノズルが排気弁のほうへ向けられている構成を示す断面図である。 択一的にフレームリングのほうへ向けられている補助噴射ノズルを備えた図１と同様の図である。 択一的にピストン表面のほうへ向けられている補助噴射ノズルを備えた図１と同様の図である。 補助噴射ノズルによる噴射後に作動する通常の噴射ノズルをも併せて示した図である。 補助噴射ノズルを用いた定容・定圧燃焼時の理論的なディーゼルエンジンプロセスのグラフである。

図示した配置構成は、可動ピストン１１３を備えたシリンダ１１５から成り、該シリンダ１１５にはフレームリング１１５を介してシリンダヘッドが結合されている。シリンダ１１５とシリンダヘッドと可動ピストン１１３との間には燃焼室１１７が形成されている。

シリンダヘッド内には吸気口と排気口１０９とが配置され、吸気口と排気口とはそれぞれ制御される吸気弁１０５および排気弁１０３によって閉鎖可能である。

シリンダヘッドはさらに通常の噴射ノズル１０７と、９０゜ずれた補助噴射ノズル１０１とを有している。

図１の実施形態によれば、補助噴射ノズル１０１は、噴射流１２２が排気弁１０３の方向に向けられるように配向されている。図２に図示した他の択一的な実施形態では、補助噴射ノズル１０１は噴射流１２１がフレームリング１１５に向けられるように配向されている。

噴射ノズル１０７は、燃焼室１１７への燃料量１２３を点火噴射手段として供給可能であるようにシリンダヘッド内に形成されている。

まず、補助噴射ノズル１０１を介して燃料を排気弁１０３またはフレームリング１１５またはピストン表面に向けて噴射させる。排気弁１０３またはフレームリング１１５の壁またはピストン表面には通常どおり２３０℃の温度が発生するので、噴射されたディーゼル燃料は完全に蒸発し、その結果最低限必要な空気量のほぼ３．２倍の空気量を成分として含んだ希薄な燃焼混合気が発生する。この場合のピストン位置はほぼ２０゜（下死点後のクランク軸角度ＫＷ ｎＵＴＰ）である。補助噴射ノズル１０１を介して排気弁１０３、フレームリング１１５、ピストン表面に対しても燃料を噴射させることができる。もちろん２つの部分への噴射も可能である。

次の時点では、シリンダヘッド内に挿入されている噴射ノズル１０７を介して燃料１２３を燃焼室１１７内へ噴射させる。この場合のピストン１１３の位置は上死点前のクランク軸角度１８゜である。

この時点で噴射された燃料１２３により、それ以前に発生していた希薄な燃焼混合気が供給された燃料１２３と混合して、最低限必要な空気量のほぼ１．３倍の空気量を成分として含む濃厚な燃焼混合気が形成される。燃焼室１１７内の燃料空気混合気は、燃焼室の容積が減少することにより十分圧縮されたときに着火し、ピストン１１３を移動させる。

なお、「希薄な燃焼混合気」とは、一般に、空気量成分が燃料の燃焼のために最低限必要な量よりも多いときに生じる混合気である。特に、空気量成分が最低限必要な空気量のほぼ１．５倍ないし５倍のときに希薄な燃焼混合気が発生する。

「濃厚な燃焼混合気」とは、空気量成分が燃料の燃焼のために最低限必要な量よりも少ないときに生じる混合気である。特に、空気量成分が最低限必要な空気量の１．５倍以下のときに濃厚な燃焼混合気が発生する。

ディーゼル燃料の燃焼に必要な空気量は、ほぼ１４．２ｋｇ空気／ｋｇ燃料である。

図５に図示したグラフでは、補助燃料噴射１１８がどのように割り当てられるかが補助的に図示されている。

１０１ 補助噴射ノズル
１０３ 排気弁
１０７ 噴射弁
１１５ フレームリング
１１７ 燃焼室
１２１，１２２ 噴射流

Claims (9)

1. 制御可能な吸気弁と排気弁とを備え、ピストンを備えたシリンダの燃焼室内に設けた複数の噴射ノズルを用いて燃料噴射を制御するための圧縮点火型ディーゼルエンジンの噴射システムであって、１つの噴射ノズルが前記燃焼室の上方ほぼ中央に配置されている前記噴射システムにおいて、
   独立に制御可能な補助噴射ノズル（１０１）が設けられ、該補助噴射ノズルは、燃料の沸点以上の部材温度を持つ前記燃焼室（１１７）の上部壁領域または画成領域に燃料（１２１，１２２）を供給するための噴射角を備え、前記補助噴射ノズル（１０１）を介してまず自己発火限界温度以下で均質な混合気の形成が行なわれ、前記シリンダ内部の温度および圧力の状態変化に従って他の噴射ノズル（１０７）を介して点火噴射用の燃料量を導入可能であることを特徴とする噴射システム。
2. 前記補助噴射ノズル（１０１）が、フレームリング（１１５）の領域および／または前記排気弁（１０３）の領域に燃料を供給するために適した噴射角で配向されていることを特徴とする、請求項１に記載の噴射システム。
3. 前記補助噴射ノズル（１０１）が、フレームリング（１１５）の領域および／またはピストン表面の領域に燃料を供給するために適した噴射角で配向されていることを特徴とする、請求項１に記載の噴射システム。
4. 前記補助噴射ノズル（１０１）が、前記排気弁（１０３）の領域および／またはピストン表面の領域に燃料を供給するために適した噴射角で配向されていることを特徴とする、請求項１に記載の噴射システム。
5. 前記補助噴射ノズル（１０１）が、フレームリング（１１５）の領域と前記排気弁（１０３）の領域とピストン表面の領域とに燃料を供給するために適した噴射角で配向されていることを特徴とする、請求項１に記載の噴射システム。
6. 前記補助噴射ノズル（１０１）が可変噴射角および／または可変穴径を有していることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の噴射システム。
7. 前記噴射弁（１０５）の閉弁後にして主噴射を開始する前に１つまたは複数の前記補助噴射ノズル（１０１）を介して燃料の供給を行なうことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の噴射システム。
8. 前記補助噴射ノズル（１０１）による燃料の供給を、通常のディーゼルエンジンの場合には下死点後１０゜のクランク軸角度と下死点後４０゜のクランク軸角度との間で行い、ミラーサイクルまたはアトキンソンサイクル型のディーゼルエンジンの場合には下死点前８０゜のクランク軸角度と下死点後４０゜のクランク軸角度との間で行ない、前記他の噴射ノズル（１０７）による点火噴射を上死点前２０゜のクランク軸角度と上死点前０゜のクランク軸角度との間で行うことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の噴射システム。
9. 前記補助噴射ノズル（１０１）による燃料噴射を下死点後１７゜のクランク軸角度と下死点後２３゜のクランク軸角度との間で行うことを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載の噴射システム。

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