JP2014020277A

JP2014020277A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2014020277A
Application number: JP2012159374A
Authority: JP
Inventors: Noboru Uchida; 登内田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-02-03

Abstract

【課題】比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、直接噴射式燃焼機関において、燃焼室が高温・高密度下にあっても、燃費改善を促進することができると共に、黒煙の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供する。
【解決手段】本発明に係る内燃機関１００は、ピストン１２０の頂面と、シリンダヘッド１１０の下面と、ピストン１２０が摺動自在に収容されるシリンダの内周壁面１３０と、により囲まれた燃焼室１５０を備え、燃料を燃焼室に直接噴射供給する内燃機関であって、シリンダヘッド１１０の下面から燃焼室１５０に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズル１６０と、燃料噴射ノズル１６０から噴射される燃料噴霧の少なくとも一部と衝突しつつ燃料噴霧を外側に通過させると共に該通過した燃料噴霧において生じる火炎の燃料噴射ノズル１６０側への発達を規制するメッシュ部材２０２と、を含んで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関する。特に、燃料を燃焼室に直接噴射供給する内燃機関の燃焼室の構造に関する。

これまで、例えば、直接噴射式ディーゼルエンジン（燃料を直接燃焼室に噴射供給して燃焼させるディーゼルエンジン）においては、燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）を上げるだけでなく、スワール（旋回流）やスキッシュ（縦方向流れ）といった空気流動を利用して、燃焼室内における燃料と空気の混合気の空間分布を制御して、空気利用率の改善延いては燃焼改善を図ってきた。

より詳細には、これまでのディーゼル燃焼機関におけるリエントラント型燃焼室においては、燃料噴射圧力を高圧化して燃料噴霧の微粒化や貫徹力を増加させると共に、スワールにより燃料噴霧への空気導入を促進し、スキッシュによって混合気を燃焼室外にも導いて空気利用率を向上していた。

ここで、本願出願人が燃焼改善技術の一つとして提案した特許文献１には、図７に示すように、ピストン９の頂面に燃焼室の大半を成すように窪むキャビティ１０を備え、該キャビティ１０の内周面に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関し、キャビティ１０の開口の外周部にピストン９の頂面に対し所要深さだけ窪んで段差を成す抉り部（えぐり部）２４を設け、該抉り部２４の底面の外周部が半径方向外側へ向かうにつれ緩やかな曲面を描くように上昇してピストン９の頂面に到り且つ前記抉り部２４の底面の内周部とキャビティ１０の底面から立ち上がる燃焼室壁面部１２とによりピストン９の頂面から一段下がった位置に入口リップ部１１が形成されるように構成した燃焼室（２段リップ構造）を有するピストンが記載されている。

特開２００７−２１１６４４号公報

かかる特許文献１に記載される燃焼室を備えたピストンによれば、燃焼室内において燃料噴霧と空気とのミキシングが改善され、より良好な燃焼を行わせることができ、直噴型ディーゼルエンジンの排ガスの改善を図ることができる。

しかしながら、近年では、直接噴射式ディーゼルエンジン（燃料を直接燃焼室に噴射供給して燃焼させるディーゼルエンジン）において、「高過給（過給機による過給率の高い状態）」＋「高ＥＧＲ率」により、内燃機関のシリンダ（燃焼室）内の密度が増大しているため、高圧噴射によって燃料噴霧を形成しても、拡散度合いが不十分で、混合気の形成が不十分となる傾向にあり、Ｓｏｏｔ（スス）の発生を増大させる傾向となっている。

なお、ＥＧＲとは、ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ（排気再循環）で、内燃機関からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減するための手段として知られている。
また、ＥＧＲ率とは、ＥＧＲガス量／（新気量＋ＥＧＲガス量）×１００（％））である。

ここで、近年、直接噴射式ディーゼルエンジンにおける燃焼観察などから、高温・高密度場でのディーゼル噴霧（燃料噴霧）では、着火遅れ（燃料を噴射してから着火するまでの遅れ期間）が短くなるため、従来に比べて、燃料噴霧の上流側（すなわち、燃料噴孔出口に近い領域）が火炎に覆われる傾向にあることが解ってきている。

この一方で、混合気形成は、火炎に覆われていない燃料噴霧の上流部における空気の導入（巻き込み）が律速している。

従って、この空気の導入（巻き込み）領域が、火炎に覆われて狭く（小さく）なると、燃料噴霧内が酸素不足となるため、Ｓｏｏｔ（スス）の生成が増加するおそれが高まる。

また、Ｓｏｏｔ（スス）は、燃料の噴射初期と終期の燃料噴霧から多く生ずると予測されているが、特に燃料の噴き終わりの燃料噴霧は運動量が殆ど無く、空気と混合する前に火炎が伝播して酸素不足のまま蒸し焼き状態となり、Ｓｏｏｔ（スス）を多く発生させていると予測される。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであり、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、直接噴射式燃焼機関において、燃焼室が高温・高密度下にあっても、燃費改善を促進することができると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る内燃機関は、
ピストン頂面と、シリンダヘッド下面と、ピストンが摺動自在に収容されるシリンダの内壁と、により囲まれた燃焼室を備え、燃料を燃焼室に直接噴射供給する内燃機関であって、
シリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッド下面から燃焼室に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、
燃料噴射ノズルの外周に設けられ、燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧の少なくとも一部と衝突しつつ燃料噴霧を外側に通過させると共に、該通過した燃料噴霧において生じる火炎の燃料噴射ノズル側への発達を規制するメッシュ部材と、
を含んで構成されたことを特徴とする。

本発明において、前記メッシュ部材は、シリンダヘッド下面から突出して設けられる複数本の支柱を介して吊り下げられていることを特徴とすることができる。

本発明において、前記メッシュ部材は、電熱ヒータとして機能するように構成されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、直接噴射式燃焼機関において、燃焼室が高温・高密度下にあっても、燃費改善を促進することができると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼室の断面図（クランク軸に略直交する平面で切断した断面図）である。同上実施の形態に係る内燃機関の燃焼室をシリンダヘッド側から見た図である。同上実施の形態に係るメッシュ部材としての円筒状メッシュを電熱ヒータ素材により製作し、通電加熱制御する場合の一例を示す図である。同上実施の形態に係るメッシュ部材の他の一例（多角形形状）をシリンダヘッド側から見た図である。同上実施の形態に係るメッシュ部材の他の一例（周方向においてメッシュ部材を間欠的に存在させた一例）をシリンダヘッド側から見た図である。同上実施の形態に係るメッシュ部材の他の一例（周方向の一部の燃料噴霧に対してのみメッシュ部材を存在させた一例）をシリンダヘッド側から見た図である。従来の内燃機関の燃焼室（２段リップ構造）の一例を示す断面図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関１００は、図１、図２に示すように、シリンダヘッド１１０の下面と、ピストン１２０の頂面（上面）と、シリンダブロック（図示せず）に嵌挿されるシリンダライナ内周壁面１３０と、により画成される燃焼室１５０に、燃料噴射ノズル１６０の先端が臨むように、シリンダヘッド１１０に取り付けられている。

この燃料噴射ノズル１６０は、気筒毎にシリンダヘッド１１０に設けられ、図２に示すように、その先端が、ピストン１２０の往復運動方向から見たときに燃焼室１５０の略中心となるように配設される。

燃焼室１５０に臨む燃料噴射ノズル１６０の先端には、例えば５〜１０個程度の複数の噴孔が周方向に所定間隔で設けられていて、該複数の噴孔からやや下向きに（円錐角（コーン角）として例えば１４０〜１６０度程度）ピストン１２０の頂面に凹状に設けられたピストン燃焼室（キャビティ）１２１へ向けて、内燃機関１００の運転状態（回転速度や負荷等）に応じて設定された燃料噴射量にて、所定タイミングで燃料が噴射供給されるようになっている。

ここで、燃料噴射ノズル１６０から噴射された燃料噴霧Ａは、ピストン１２０の頂面に凹状に設けられたピストン燃焼室（キャビティ）１２１の壁面に衝突する前後で自己着火しながら拡散混合燃焼する。

本実施の形態では、シリンダヘッド１１０の下面に、当該シリンダヘッド１１０の下面から突出して設けられる複数本の円筒状メッシュ支持柱（支柱）２０１を介して、メッシュ部材としての円筒状メッシュ２０２が吊り下げられている。

当該円筒状メッシュ２０２は、図１、図２に示すように、燃料噴射ノズル１６０の噴孔から噴射される燃料噴霧Ａが横切るように、すなわち燃料噴霧Ａの中心軸と交差するように配置される。

円筒状メッシュ２０２のメッシュのサイズ（目の細かさ）は、細か過ぎると燃料噴霧Ａと衝突したときに大きな反力を受けることになるため、最高噴射モーメンタム（燃料噴霧Ａの最大運動量）においても変形しない程度の目の細かさにする。

また、円筒状メッシュ２０２の半径は、噴射後に燃料噴霧が自己着火する位置よりやや噴霧上流側（燃料噴孔出口側、燃焼室１５０の中心側）に位置するように設定される。
例えば、燃焼室１５０の中心からの距離（半径）が１５〜２０ｍｍ程度となるように設定されることができる。

なお、内燃機関１００の排気量や燃料噴射系の仕様により、或いは負荷（燃料噴射量）などによって、自己着火する位置は変化するため、一義的に決定することは難しいが、例えば、低負荷や高負荷での自己着火位置に適合させるより、中負荷（スス発生に一番厳しい領域）において適合するように、円筒状メッシュ２０２の半径を決定することが好ましい。

このような円筒状メッシュ２０２を備えた本実施の形態に係る内燃機関においては、燃料噴射ノズル１６０の噴孔から噴射された燃料噴霧Ａは、円筒状メッシュ２０２を通過した後に、当該円筒状メッシュ２０２を通過した部分が自己着火するが、燃料の噴き終りにおいても、円筒状メッシュ２０２の存在によって、火炎が燃料噴霧Ａの上流側へ発達することが抑制される。

このため、従来のように、燃料噴霧の上流側（すなわち、燃料噴孔出口に近い領域）が火炎に覆われてしまうことによって生じる、混合気形成に大きく影響する燃料噴霧の上流部における空気の導入（巻き込み）不良を抑制することができる。

すなわち、円筒状メッシュ２０２により火炎が燃料噴霧の上流側へ発達することが抑制されるので、混合気形成に大きく影響する燃料噴霧の上流部での空気導入領域を十分に確保することができるため、燃料噴霧と空気との混合が促進され、Ｓｏｏｔ（スス）の生成を抑制することができる。

また、本実施の形態において、円筒状メッシュ２０２を、円筒状メッシュ支持柱２０１を介して、シリンダヘッド１１０の下面から所定間隔を持って（所定量離間させて）吊り下げているのは、燃料噴霧の発達に伴う随伴気流（空気中を貫いて発展する燃料噴霧の周囲に生じる気流）による空気の巻き込み等を阻害しないようにするためである。

本実施の形態に係る円筒状メッシュ２０２はまた、燃料噴霧が衝突した後の燃料噴霧の下流側に渦を形成することができるので、燃料噴霧の中心軸付近ほど当量比の高い燃料噴霧の噴霧構造を崩すことができ、以って空気と燃料の混合を促進することができる。

このため、本実施の形態に係る円筒状メッシュ２０２を備えた燃焼室構造においては、燃焼は、円筒状メッシュ２０２を通過した直後の燃料噴霧において活発化するが、これは円筒状メッシュ２０２を備えない場合に比べて、ピストン１２０の壁面（燃焼室を形成している壁面）から比較的距離のある（離間した）所に、火炎の高温部が位置するように制御可能であるため、対流熱伝達及び輻射熱伝達とも減少させることができ、以って壁面熱損失を低減することができ、延いては熱効率の向上にも貢献可能である。

以上のように、本実施の形態に係る円筒状メッシュ２０２を備えた内燃機関によれば、従来の直接噴射式ディーゼルエンジンにおける燃料噴霧と変わらない諸元（燃料噴射圧力、燃料噴射率、燃料噴射期間、燃料噴孔径や噴孔数、コーン角など）を用いながら、燃焼室が高温・高密度下にあっても、円筒状メッシュ２０２によって燃料噴霧上流の空気導入部が火炎により覆われることを抑制して、燃料噴霧上流の空気導入部における良好な空気導入を維持することができ、以って燃料噴霧と空気との混合が促進され、Ｓｏｏｔ（スス）の生成を抑制することができる。

また、本実施の形態に係る円筒状メッシュ２０２を備えた内燃機関によれば、燃料の噴き終り付近の運動量の小さな燃料噴霧に対しても、火炎の伝播を抑制することができるので、燃料噴霧と空気との混合時間を稼ぐことができ、以ってＳｏｏｔ（スス）の生成を抑制することができる。

また、本実施の形態に係る円筒状メッシュ２０２を備えた内燃機関によれば、火炎が燃料噴霧上流側に発展することを抑制できるので、活発な燃焼領域を、燃料噴射ノズル１６０とピストン１２０の燃焼室壁面との中間に配置することができ、これにより対流熱伝達を低減することができ、以って熱効率を改善することにも貢献可能である。

このように、本実施の形態によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、直接噴射式燃焼機関において、燃焼室が高温・高密度下にあっても、燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することができる。

ここで、本実施の形態では、円筒状メッシュ２０２を燃料噴霧が貫通するように構成し、円筒状メッシュ２０２より下流側で着火した火炎が燃料噴霧の上流側へ発達する（燃料噴霧の上流側へ溯る）ことを、円筒状メッシュ２０２により規制するようにしている。

しかしながら、内燃機関１００の冷間始動時には、円筒状メッシュ２０２に付着した燃料が、燃焼期間中に揮発したり燃焼できずに、炭化水素（ＨＣ）として排出されるおそれがある。

また、燃焼の着火遅れ期間（燃料の噴射開始から着火開始までの遅れ期間）の短縮のために、プレ噴射（メイン噴射前に微量の燃料を供給する噴射）を行う場合には、燃料噴射ノズル１６０の噴孔付近、すなわち円筒状メッシュ２０２の内側（燃焼室の中心側）で燃焼が行われるため、円筒状メッシュ２０２によっては、火炎が燃料噴霧上流側へ遡ることを遮断することはできない。

このため、図３に示すように、円筒状メッシュ２０２を電熱ヒータ素材にて作成し、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３００にて、円筒状メッシュ２０２（ヒータ素材）への通電（円筒状メッシュ２０２（ヒータ素材）の発熱）を、運転条件等に基づいて制御可能（オンオフ制御や、理想的には電流値制御などの制御が可能）な構成とすることができる。

これにより、内燃機関１００の冷間始動時における炭化水素（ＨＣ）の排出量を低減することができる。

また、内燃機関１００の水温等の機関温度を取得し、冷間始動の場合には、電源ＯＮ（キーオン）と共に円筒状メッシュ２０２を電熱ヒータとして機能させるべく通電制御を開始して、初爆前に円筒状メッシュ２０２（電熱ヒータ）を一気に数百度まで昇温させるように構成することで、グロープラグと同じように着火をアシストするように構成することもできる。

更に、プレ噴射を実行して着火をアシストしたいといった要求があるような場合には、プレ噴射を行わなくても、円筒状メッシュ２０２の温度を電流制御によりある程度まで高めることで、燃料噴射ノズル１６０の噴孔付近（すなわち円筒状メッシュ２０２の内側）への火炎の発達を抑制して空気取り込み領域を確保しながら、プレ噴射と同等の効果（着火遅れ期間の短縮）を奏することができる。

なお、運転領域によっては、円筒状メッシュ２０２自体が燃焼ガスからの伝熱で加熱されるため、暖機後の中負荷以上であれば、円筒状メッシュ２０２への通電を行わなくても（円筒状メッシュ２０２を電熱ヒータとして構成しなくても）、プレ噴射を不要とすることができる。

本実施の形態では、ディーゼルエンジンを例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガソリン、天然ガス、アルコール、バイオ燃料など軽油以外の燃料であっても、直接的に燃焼室に燃料を噴射供給する内燃機関であれば、本発明は適用可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

なお、上述した本実施の形態では、円筒状メッシュ２０２は、図２に示したように。ピストン１２０の往復運動方向から見たときに、略円形状に形成した場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、図４に示すような多角形形状の他、花弁形状その他の適宜の形状とすることができる。

また、円筒状メッシュ２０２は、全周に亘ってメッシュ部材が存在している場合に限らず、例えば、燃料噴霧と衝突して通過させると共に、火炎が上流側に溯ることを抑制することができる領域にのみ、周方向において間欠的にメッシュ部材を存在させるような構成とすることもできる（図５参照）。

また、円筒状メッシュ２０２は、すべての燃料噴霧と衝突して通過させる構造に限定されるものではなく、複数の噴孔から噴射される複数の燃料噴霧のうちの一部と衝突して通過させる構造（図６参照）や、一の燃料噴霧の中心部分とは衝突せず燃料噴霧の一部である外周部分と衝突して通過させる構造（例えば、燃料噴霧の中心部分には穴が形成されている）などとすることも可能である。

また、ピストン１２０の燃焼室形状は、図１等に示したような従来のリエントラント型形状に限定されるものではなく、図７に示したような２段リップ構造のリエントラント型形状の他、適宜の形状とすることができるものである。

本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１００内燃機関（エンジン）
１１０シリンダヘッド
１２０ピストン
１２１ピストン燃焼室（キャビティ）
１３０シリンダライナ内周壁面
１５０燃焼室
１６０燃料噴射ノズル
２０１円筒状メッシュ支持柱（支柱）
２０２円筒状メッシュ（メッシュ部材、電熱ヒータ素材）
３００エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

ピストン頂面と、シリンダヘッド下面と、ピストンが摺動自在に収容されるシリンダの内壁と、により囲まれた燃焼室を備え、燃料を燃焼室に直接噴射供給する内燃機関であって、
シリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッド下面から燃焼室に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、
燃料噴射ノズルの外周に設けられ、燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧の少なくとも一部と衝突しつつ燃料噴霧を外側に通過させると共に、該通過した燃料噴霧において生じる火炎の燃料噴射ノズル側への発達を規制するメッシュ部材と、
を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関。
前記メッシュ部材は、シリンダヘッド下面から突出して設けられる複数本の支柱を介して吊り下げられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記メッシュ部材は、電熱ヒータとして機能するように構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。