JP2014025359A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】振動等に起因してインジェクションパイプが破損したり、インジェクションパイプの取り付けナットが緩んだりしないディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】シリンダヘッド１２に対して近接又は離間するように摺動するピストン１３を備え、前記ピストン１３の摺動運動をクランクシャフト１４の回転運動に変換するディーゼルエンジン１００において、前記クランクシャフト１４の回転によって駆動するサプライポンプ４１と、前記サプライポンプ４１から圧送された燃料を貯えるレール４２と、前記レール４２から供給された燃料を前記ピストン１３に形成された燃焼室に噴射するインジェクタ４３と、を具備し、前記レール４２及び前記インジェクタ４３は、前記シリンダヘッド１２に固定される、とした。
【選択図】図４

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの技術に関する。

従来より、ピストンの上面に設けられた燃焼室へ燃料を噴射し、該燃焼室内で燃料を燃焼させるディーゼルエンジンが知られている。このようなディーゼルエンジンは、自由に噴射パターンを設定できる蓄圧式燃料噴射装置（以降「コモンレールシステム」という）を備えている。コモンレールシステムは、燃料を圧送するサプライポンプと、高圧の燃料を貯えるレールと、燃料を噴射するインジェクタと、で構成される（例えば特許文献１参照）。

ところで、このようなディーゼルエンジンは、レールに貯えた高圧の燃料をインジェクタへ供給するため、金属製のパイプ（以降「インジェクションパイプ」という）を備えている。つまり、レールとインジェクタは、インジェクションパイプによって接続されている。しかし、インジェクションパイプは、高圧燃料に耐える必要があるために硬度が高く、柔軟性に乏しいという性質を有する。従って、振動等に起因してインジェクションパイプが破損したり、インジェクションパイプの取り付けナットが緩んだりしない構造が求められていた。

また、このようなディーゼルエンジンは、インジェクタに供給される燃料の温度によって運転状態が変化する。燃料が暖められて膨張すると単位体積当たりの発熱量が低下し、燃料が冷えて収縮すると単位体積当たりの発熱量が増加するためである。そして、特に寒冷地における始動の際には、レールやインジェクションパイプが冷えていることから、燃料温度が適切な値になるまで時間がかかるという問題を有していた。従って、寒冷地における始動の際に燃料温度を素早く適切な値にできる構造が求められていた。

特開２０１１−１２５７３号公報

本発明は、振動等に起因してインジェクションパイプが破損したり、インジェクションパイプの取り付けナットが緩んだりしないディーゼルエンジンを提供することを目的としている。また、寒冷地における始動の際に燃料温度を素早く適切な値にできるディーゼルエンジンを提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１に係るディーゼルエンジンは、
シリンダヘッドに対して近接又は離間するように摺動するピストンを備え、
前記ピストンの摺動運動をクランクシャフトの回転運動に変換するディーゼルエンジンにおいて、
前記クランクシャフトの回転によって駆動するサプライポンプと、
前記サプライポンプから圧送された燃料を貯えるレールと、
前記レールから供給された燃料を前記ピストンに形成された燃焼室に噴射するインジェクタと、を具備し、
前記レール及び前記インジェクタは、前記シリンダヘッドに固定される、とした。

請求項２に係るディーゼルエンジンは、請求項１に記載のディーゼルエンジンにおいて、
前記シリンダヘッドは、略直方体形状に形成され、
前記レールは、略円筒形状に形成されて、
前記レールは、その中心軸が前記シリンダヘッドの長手方向に対して平行に固定される、とした。

請求項３に係るディーゼルエンジンは、請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジンにおいて、
前記レールは、前記シリンダヘッドの高さ方向に対して低い位置に設けられたブラケットによって支持される、とした。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１に記載の発明によれば、レール及びインジェクタは、シリンダヘッドに固定される。これにより、レールの振動源とインジェクタの振動源がともにシリンダヘッドとなるため、インジェクションパイプが破損したり、インジェクションパイプの取り付けナットが緩んだりするのを防ぐことが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、レールは、その中心軸がシリンダヘッドの長手方向に対して平行に固定される。これにより、シリンダヘッドが熱膨張してもレールに曲げ応力が発生しないため、インジェクションパイプが破損したり、インジェクションパイプの取り付けナットが緩んだりするのを防ぐことが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、レールは、シリンダヘッドの高さ方向に対して低い位置に設けられたブラケットによって支持される。これにより、シリンダヘッドからレールへ適宜に熱伝達が行なわれるため、寒冷地における始動の際に燃料温度を素早く適切な値にすることが可能となる。

ディーゼルエンジンの構成を示す正面図。 ディーゼルエンジンの構成を示す右側面図。 ディーゼルエンジンの作動態様を示す模式図。 シリンダヘッドにレール及びインジェクタが固定された状態を示す斜視図。 図４に示す矢印Ｘの方向から見た図。 図４に示す矢印Ｙの方向から見た図。

まず、ディーゼルエンジン１００について簡単に説明する。

図１は、ディーゼルエンジン１００の構成を示す正面図であり、図２は、その右側面図である。図３は、ディーゼルエンジン１００の作動態様を示す模式図である。なお、図中の矢印Ｆａは、吸入された空気の流れ方向を示し、図中の矢印Ｆｅは、排気の流れ方向を示している。また、図中の矢印Ｓは、ピストン１３の摺動方向を示し、図中の矢印Ｒは、クランクシャフト１４の回転方向を示している。

ディーゼルエンジン１００は、主にエンジン主体部１と、吸気経路２と、排気経路３と、コモンレールシステム４と、で構成される。

エンジン主体部１は、燃料の燃焼による膨張エネルギーを利用して回転動力を発生させる。エンジン主体部１は、主にシリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３と、クランクシャフト１４と、で構成される。

エンジン主体部１には、シリンダブロック１１に設けられたシリンダ１１ｃと、該シリンダ１１ｃに摺動可能に内設されたピストン１３と、該ピストン１３に対向するように配置されたシリンダヘッド１２と、で作動室Ｗが構成されている。即ち、作動室Ｗとは、ピストン１３の摺動運動によって容積が変化するシリンダ１１ｃの内部空間を意味する。ピストン１３は、コネクティングロッド１５によってクランクシャフト１４のピン部と連結されており、該ピストン１３の摺動によってクランクシャフト１４を回転させる。なお、エンジン主体部１の具体的な作動態様については後述する。

吸気経路２は、外部から吸入された空気をシリンダ１１ｃ内に導く。即ち、吸気経路２は、外部から吸入された空気を作動室Ｗに導く。吸気経路２は、空気が流れる方向に沿って、主にエアクリーナ（図示せず）と、吸気マニホールド２２と、で構成される。

エアクリーナは、濾紙又はスポンジ等によって吸入された空気を濾過する。エアクリーナは、空気を濾過することで埃等の異物が作動室Ｗに混入するのを防止している。

吸気マニホールド２２は、エアクリーナによって濾過された空気を各作動室Ｗに分配する。本ディーゼルエンジン１００は、複数の作動室Ｗが設けられた多気筒エンジンであることから、吸気マニホールド２２は、各作動室Ｗ毎に設けられた吸気ポート１２Ｉｐの入口穴を覆うように形成されている。なお、本ディーゼルエンジン１００では、吸気ポート１２Ｉｐの入口穴がシリンダヘッド１２の上面に設けられているため、吸気マニホールド２２もシリンダヘッド１２の上面に取り付けられている。

排気経路３は、シリンダ１１ｃ内から排出された排気を排気口まで導く。即ち、排気経路３は、各作動室Ｗから排出された排気を排気口まで導く。排気経路３は、排気の流れる方向に沿って、主に排気マニホールド３１と、排気浄化装置３２と、で構成される。

排気マニホールド３１は、各作動室Ｗから排出された排気を集合させる。本ディーゼルエンジン１００は、複数の作動室Ｗが設けられた多気筒エンジンであることから、排気マニホールド３１は、各作動室Ｗ毎に設けられた排気ポート１２Ｅｐの出口穴と連通するように形成されている。なお、本ディーゼルエンジン１００では、排気ポート１２Ｅｐの出口穴がシリンダヘッド１２の側面に設けられているため、排気マニホールド３１もシリンダヘッド１２の側面に取り付けられている。

排気浄化装置３２は、排気に含まれる環境負荷物質を取り除く。排気浄化装置３２には、酸化触媒担体（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ：以降「ＤＯＣ」という）が内蔵されている。ＤＯＣは、排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）を酸化して無害化するとともに、粒子状物質であるＳＯＦ（有機可溶成分）を酸化して除去する。

コモンレールシステム４は、自由に噴射パターンを設定できる燃料噴射装置である。コモンレールシステム４は、主にサプライポンプ４１と、レール４２と、インジェクタ４３と、で構成される。

サプライポンプ４１は、燃料タンクから供給された燃料をレール４２へ圧送する。サプライポンプ４１は、複数のギヤを介して伝達されたクランクシャフト１４の回転動力によって駆動される。詳細に説明すると、サプライポンプ４１は、クランクギヤ１４Ｇやアイドルギヤ１７Ｇ、カムギヤ１８Ｇ、ポンプギヤ４１Ｇを介して伝達されたクランクシャフト１４の回転動力によって駆動される。サプライポンプ４１は、駆動軸４１Ｓの回転によって摺動するプランジャを備え、該プランジャが加圧した燃料をレール４２へ送り出す。

レール４２は、サプライポンプ４１から圧送された燃料を高圧のまま貯える。レール４２は、略円筒形状に形成された金属管である。レール４２は、リミッタバルブを備え、燃料の圧力が所定の値を超えないように設計されている。また、レール４２には、複数のインジェクションパイプ４４が取り付けられ、各インジェクタ４３へ燃料を導くことができる。

インジェクタ４３は、レール４２から供給された燃料を適宜に噴射する。インジェクタ４３は、噴射口を有する先端部が作動室Ｗ内に突出するようにシリンダヘッド１２に取り付けられている。インジェクタ４３は、例えばピエゾ素子やソレノイドで駆動するアーマチャを備え、駆動する時期や期間を調節することによって様々な噴射パターンを実現できる。

次に、図３を用いてディーゼルエンジン１００の作動態様について簡単に説明する。なお、本ディーゼルエンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各工程をクランクシャフト１４が二回転する間に完結する４サイクルエンジンである。

吸気工程は、吸気バルブ１２Ｉｖを開弁するとともにピストン１３を下方（シリンダヘッド１２から離間する方向）へ摺動させて、作動室Ｗ内に空気を吸い込む行程である。上述したように、本ディーゼルエンジン１００では、吸気ポート１２Ｉｐの入口穴がシリンダヘッド１２の上面に設けられていることから、空気は、シリンダヘッド１２の上方から下方に向けて流れることとなる。

圧縮工程は、吸気バルブ１２Ｉｖを閉弁するとともにピストン１３を上方（シリンダヘッド１２に近接する方向）へ摺動させて、作動室Ｗ内の空気を圧縮する行程である。吸気ポート１２Ｉｐは、吸気バルブ１２Ｉｖによって閉じられていることから、作動室Ｗ内の空気が逆流することはない。

その後、圧縮されて高温高圧となった空気中にインジェクタ４３から燃料が噴射される。すると、燃料は、ピストン１３の上面に設けられた燃焼室Ｃ内で分散して蒸発し、空気と混合して燃焼を開始する。こうして、ディーゼルエンジン１００は、ピストン１３を再び下方へ摺動させる膨張行程に移行する。

膨張行程は、燃料が燃焼したことによる膨張エネルギーによってピストン１３を押し下げる（シリンダヘッド１２から離間する方向へ摺動させる）行程である。燃焼室Ｃ及び作動室Ｗ内に形成された火炎は、空気を膨張させてピストン１３を押し下げる。なお、膨張行程では、ピストン１３からコネクティングロッド１５を介してクランクシャフト１４に回転トルクが付与される。このとき、クランクシャフト１４に取り付けられたフライホイル１６によって運動エネルギーが保存されるため、クランクシャフト１４は回転を持続する（図２参照）。こうして、ディーゼルエンジン１００は、排気行程に移行するのである。

排気工程は、排気バルブ１２Ｅｖを開弁するとともにピストン１３を上方（シリンダヘッド１２に近接する方向）へ摺動させて、作動室Ｗ内の既燃ガスを排気として押し出す行程である。上述したように、本ディーゼルエンジン１００では、排気ポート１２Ｅｐの出口穴がシリンダヘッド１２の側面に設けられているため、排気は、シリンダヘッド１２の下方から側方に向けて流れることとなる。

こうして、ディーゼルエンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各工程をクランクシャフト１４が二回転する間に完結する。ディーゼルエンジン１００は、全ての作動室Ｗで上記の各行程を繰り返すことにより、連続して運転できるのである。

以下に、本ディーゼルエンジン１００が採用している構造について詳細に説明し、かかる構造による効果を述べる。

図４は、シリンダヘッド１２にレール４２及びインジェクタ４３が固定された状態を示す斜視図である。図５は、図４に示す矢印Ｘの方向から見た図であり、図６は、図４に示す矢印Ｙの方向から見た図である。

レール４２は、シリンダヘッド１２の側面に設けられたブラケット１２ｂにボルトＢ１によって固定される。ブラケット１２ｂは、排気マニホールド３１が取り付けられている側面ではなく、反対側の側面に設けられている。上述したように、本ディーゼルエンジン１００は、シリンダヘッド１２の上面に吸気マニホールド２２が取り付けられることから（図１、図２参照）、排気マニホールド３１が取り付けられていない側面にブラケット１２ｂを設けることができる。

インジェクタ４３は、シリンダヘッド１２のインジェクタ穴に挿入された状態で、ホルダ４５によって固定される。ホルダ４５は、掛止部がインジェクタ４３のボディを挟み込み、支点部がヘッドボルトＢｈに当接した状態でボルトＢ２によって固定される。なお、インジェクタ４３は、ボルトＢ２が球面座金を通して取り付けられているため、取り付け姿勢が安定している。

このように、レール４２及びインジェクタ４３は、シリンダヘッド１２に固定される。従って、ディーゼルエンジン１００の運転によって発生する振動は、レール４２とインジェクタ４３にほぼ等しく伝達される。そして、レール４２とインジェクタ４３を接続するインジェクションパイプ４４は、これらと一体となって振動する。

このような理由により、本ディーゼルエンジン１００は、レール４２の振動源とインジェクタ４３の振動源がともにシリンダヘッド１２となるため、インジェクションパイプ４４が破損したり、インジェクションパイプ４４の取り付けナット４４Ｎが緩んだりするのを防ぐことが可能となる。

なお、本ディーゼルエンジン１００のように、シリンダヘッド１２の上面に吸気マニホールド２２が取り付けられている構造では、排気マニホールド３１が取り付けられている側面ではなく、反対側の側面にレール４２を固定することが重要である。高温になる部品がないことから安全性が高く、レール４２を支持する構造が簡単になるからである。また、デットスペースとなり易いかかる空間を有効に利用することが可能となる。

次に、レール４２の取り付け姿勢について限定する。

一般的に、シリンダヘッド１２は、略直方体形状に形成される。このため、シリンダヘッド１２は、ディーゼルエンジン１００の運転によって熱せられると、長手方向Ｌに大きく膨張することとなる。一方、レール４２は、略円筒形状に形成されている。そして、本ディーゼルエンジン１００においては、レール４２の中心軸Ａｃとシリンダヘッド１２の長手方向Ｌが互いに平行となるようにブラケット１２ｂが設けられている。

このように、レール４２は、その中心軸Ａｃがシリンダヘッド１２の長手方向Ｌに対して平行に固定される。従って、シリンダヘッド１２の熱膨張によってレール４２に及ぼす荷重は、レール４２の中心軸Ａｃの方向に作用することとなる。

このような理由により、本ディーゼルエンジン１００は、シリンダヘッド１２が熱膨張してもレール４２に曲げ応力が発生しないため、インジェクションパイプ４４が破損したり、インジェクションパイプ４４の取り付けナット４４Ｎが緩んだりするのを防ぐことが可能となる。

また、本ディーゼルエンジン１００においては、シリンダヘッド１２の高さ方向Ｈに対して低い位置にブラケット１２ｂが設けられている。これは、寒冷地における始動の際に燃料温度を素早く適切な値にできるように考慮した結果である。

このように、レール４２は、シリンダヘッド１２の高さ方向Ｈに対して低い位置に設けられたブラケット１２ｂによって支持される。従って、作動室Ｗで発生した熱を素早くレール４２へ伝達でき、該レール４２内の燃料を暖めることが可能となる。

このような理由により、本ディーゼルエンジン１００は、シリンダヘッド１２からレール４２へ適宜に熱伝達が行なわれるため、寒冷地における始動の際に燃料温度を素早く適切な値にすることが可能となる。

１００ ディーゼルエンジン
１ エンジン主体部
１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
１３ ピストン
１４ クランクシャフト
２ 吸気経路
３ 排気経路
３１ 排気マニホールド
４ コモンレールシステム
４１ サプライポンプ
４２ レール
４３ インジェクタ
４４ インジェクションパイプ
４４Ｎ 取り付けナット
４５ ホルダ
Ａｃ 中心軸
Ｂｈ ヘッドボルト
Ｂ１ ボルト
Ｂ２ ボルト
Ｌ 長手方向
Ｈ 高さ方向

Claims (3)

1. シリンダヘッドに対して近接又は離間するように摺動するピストンを備え、
   前記ピストンの摺動運動をクランクシャフトの回転運動に変換するディーゼルエンジンにおいて、
   前記クランクシャフトの回転によって駆動するサプライポンプと、
   前記サプライポンプから圧送された燃料を貯えるレールと、
   前記レールから供給された燃料を前記ピストンに形成された燃焼室に噴射するインジェクタと、を具備し、
   前記レール及び前記インジェクタは、前記シリンダヘッドに固定される、ことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記シリンダヘッドは、略直方体形状に形成され、
   前記レールは、略円筒形状に形成されて、
   前記レールは、その中心軸が前記シリンダヘッドの長手方向に対して平行に固定される、ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記レールは、前記シリンダヘッドの高さ方向に対して低い位置に設けられたブラケットによって支持される、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジン。

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