JP2020084845A - 副室式ディーゼル機関 - Google Patents

Abstract

【課題】再生機能を備えているにも拘わらず燃料系統が複雑となることのない副室式ディーゼル機関を提供すること。【解決手段】制御手段からの電気信号によって任意のタイミングで燃料を噴射可能なインジェクタ２４を採用し、微粒子捕集フィルタ３６に所定量の微粒子が捕集されたときには、インジェクタ２４がピストン１２の膨張行程において追加的に燃料を噴射５２する。【選択図】図１

Description

本発明は、微粒子捕集フィルタを再生可能な副室式ディーゼル機関に関する。

例えば特許文献１及び２に示すような、連絡孔によって連通された主燃焼室及び副燃焼室と、副燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタとを備えた副室式ディーゼル機関が広く普及している。副室式ディーゼル機関では、ピストンの圧縮行程において、主燃焼室から連絡孔を通って副燃焼室内に空気が流入することで副燃焼室内には空気の渦流が形成される。特許文献１及び２の副室式ディーゼル機関は更に、機関運転状態を検出する機械運転検出手段と、制御手段とを備えている。そして、インジェクタは制御手段からの電気信号によって任意のタイミングで燃料を噴射可能であり、ピストンが圧縮上死点付近に到達した際に、上記渦流に向かって燃料を噴射する。噴射された燃料は上記渦流によって副燃焼室内で空気と混合されて圧縮自己着火し、これに伴うガス膨張によってピストンを押し下げ仕事を得る。

ここで、ディーゼル機関の燃焼ガスにはススの如き微粒子が含まれており、かかる微粒子が大気中に多量に放出されると健康被害を生じてしまう恐れがある。そのため、近時のディーゼル機関においては排気通路中に微粒子捕集フィルタを設けて燃焼ガスに含まれる微粒子を捕集し、これが大気中に放出されてしまうことを抑制している。かような微粒子捕集フィルタにあっては、多量の微粒子を捕集すると目詰まりを生じてしまうため、捕集された微粒子を定期的に燃焼させて、フィルタが目詰まりすることを防止している。このような操作は一般的に「再生」と称され、ディーゼル機関においては広く行われている。下記特許文献３には上述した再生機能を備えた副室式ディーゼル機関の一例が開示されている。特許文献３で開示された副室式ディーゼル機関の排気通路には、微粒子捕集フィルタと共に酸化触媒が配置されている。酸化触媒は微粒子捕集フィルタよりも排気通路の上流側に設けられており、酸化触媒のさらに上流側には、燃料と空気との混合気が進入する通路が排気通路に接続されている。そして、微粒子捕集フィルタに所定量の微粒子が捕集されると、上記通路から燃料と空気との混合気が進入せしめられ、かかる混合気が酸化触媒と反応することでこれが活性化される。これにより、排気が昇温され、微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子は燃焼させられる。

特開平６−３３８１５号公報 特開平６−３３８１６号公報 特開２０１７−６６８７０号公報

上記特許文献３で開示された副室式ディーゼル機関は再生機能を備えているものの、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタの他に、排気通路中に燃料を供給するための別途の燃料供給手段を必要とするため、部品点数が増加すると共に燃料系統が複雑となり、製造コスト及び重量が増大してしまう。

本発明は、上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、再生機能を備えているにも拘わらず燃料系統が複雑となることのない新規且つ改良された副室式ディーゼル機関を提供することである。

本発明者は、鋭意検討の結果、制御手段からの電気信号によって任意のタイミングで燃料を噴射可能なインジェクタを採用し、微粒子捕集フィルタに所定量の微粒子が捕集されたときには、インジェクタがピストンの膨張行程において追加的に燃料を噴射（追加噴射）することによって、上記主たる技術的課題が解決されることを見出した。

即ち、本発明によれば、上記主たる技術的課題を解決する副室式ディーゼル機関として、連絡孔によって連通された主燃焼室及び副燃焼室と、前記副燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、排気通路に配置されて排気を浄化する酸化触媒及び微粒子捕集フィルタと、機関運転状態を検出する機関運転状態検出手段と、制御手段とを備え、前記インジェクタは前記制御手段からの電気信号によって任意のタイミングで燃料を噴射可能である副室式ディーゼル機関において、
前記微粒子捕集フィルタに所定量の微粒子が捕集されたことを前記機関運転状態検出手段が検出すると、前記制御手段は前記インジェクタにメイン噴射をした後のピストンの膨張行程において追加噴射をさせる、ことを特徴とする副室式ディーゼル機関が提供される。

好ましくは、前記運転状態検出手段はクランク角度センサを含み、前記制御手段は前記インジェクタに前記追加噴射を、ピストンの圧縮上死点からのクランク角度が１２０度に到達するまでにさせる。前記運転状態検出手段は副室壁面測温センサを含み、前記制御手段は、前記副燃焼室の壁面の温度が所定値以下のときは、前記微粒子捕集フィルタに前記所定量の微粒子が捕集されていた場合であっても、前記インジェクタに前記追加噴射をさせないようにするのがよい。好適には、前記運転状態検出手段は、前記酸化触媒と前記微粒子捕集フィルタとの間に設けられた排気温度センサと、前記微粒子捕集フィルタの前後差圧を計測する差圧計測手段とを含んでいる。前記制御手段は前記インジェクタに前記追加噴射を多段的にさせるのが好ましい。前記追加噴射として前記インジェクタから噴射された燃料は、前記副燃焼室及び前記連絡孔の壁面に付着することなく前記主燃焼室に到達するのがよい。前記運転状態検出手段は燃料圧センサを含み、前記インジェクタには燃料ポンプによって加圧された燃料が供給され、前記制御手段は、前記インジェクタに供給される燃料の目標圧力を８乃至４０ＭＰａに制御するのが好適である。

本発明の副室式ディーゼル機関においては、インジェクタは制御手段からの電気信号によって任意のタイミングで燃料を噴射可能であり、微粒子捕集フィルタに所定量の微粒子が捕集されると、インジェクタはメイン噴射をした後のピストンの膨張行程において追加噴射をする。追加噴射によって排気は昇温され、微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子は燃焼させられる。つまり、本発明の副室式ディーゼル機関においては、副燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタ以外に別途の燃料供給手段を設けることなく、従って燃料系統を複雑にすることなく、微粒子捕集フィルタの再生を行うことが可能となる。

ここで、近時においては、所謂直噴式ディーゼル機関も広く普及している。直噴式はシリンダとピストンによって規定される単一の燃焼室を備え、燃料は燃焼室にインジェクタから直接噴射される。このとき、エミッションの観点からは、燃焼ガスに含まれるスモークやＨＣを低減させるため、インジェクタから噴射された燃料は燃焼室内で空気と均一に混合されるのが好ましい。これを達成するため、直噴式の場合には、通常、インジェクタの噴射孔を極力小さく設定する（微細噴口）と共に燃料の噴射圧を極めて高い値（２００ＭＰａ程度）に設定し、燃料の噴射量を維持しつつ燃焼室内における燃料の拡散性を向上させている。しかしながら、このようなインジェクタは、噴射孔が微細であるため目詰まりを生じやすい。また、噴射圧が高いことからインジェクタ自身の構造を堅牢にする必要があり、かようなインジェクタを備えたディーゼル機関は、製造コストが増大すると共に大型化及び重量化してしまう。この点、本発明のディーゼル機関にあっては副室式を採用することから、インジェクタから副燃焼室内に噴射された燃料は副燃焼室内に形成された空気の渦流によって充分拡散されるため、噴射孔を過剰に小さく設定することも、燃料の噴射圧を高く設定する必要もなく、直噴式で生じる上記問題は生じ得ない。

本発明に従って構成されたディーゼル機関の好適実施形態についての概略図。 図１に示すディーゼル機関においてインジェクタから噴射された燃料について説明するための図。 図１に示すディーゼル機関におけるインジェクタの噴射タイミングを示す図。

以下、本発明に従って構成された副室式ディーゼル機関の好適実施形態について、添付した図面を参照して、更に詳細に説明する。

図１には、連絡孔によって連通された主燃焼室及び副燃焼室を備えた副室式のディーゼル機関２の構成の一部を断面で示す概略図が示されている。ディーゼル機関２は、シリンダブロック４及びシリンダヘッド６を備えている。

シリンダブロック４の内側には、端面が開放された円筒形状のシリンダ８が形成されており、このシリンダ８内には、クランク１０によって往復動させられるピストン１２が配置されている。図示の実施形態においては、シリンダヘッド６はシリンダブロック４の上方に載置されており、ピストン１２は上下方向に往復動させられる。そして、シリンダブロック４の内側には、シリンダ８の内周面と、ピストン１２の頂面と、シリンダヘッド６とによって主燃焼室１４が画成される。

シリンダヘッド６には、これがシリンダブロック４と組み合わされたとき、主燃焼室１４に新規の空気を送り込むための吸気ポート（図示せず）及び燃焼室内で生成された燃焼ガスを排出する排気ポート１６が形成されている。吸気ポートの出口（つまり主燃焼室１４への入口）及び排気ポート１６の入口（つまり主燃焼室１４からの出口）には夫々、所定のタイミングで開閉動するバルブ１８が設けられている。シリンダヘッド６には更に、副燃焼室２０、及びこれに連通する連絡孔２２も設けられている。図１と共に図２（ａ）及び（ｂ）も参照して説明すると、図示の実施形態においては、副燃焼室２０は全体的に球形状であり、シリンダヘッド６がシリンダブロック４と組み合わされると、副燃焼室２０の中心ｃは主燃焼室１４の中心軸ｏに対して偏心して配置される。連絡孔２２は、上方に向かって径方向外側に傾斜して直線状に延びている。連絡孔２２における、副燃焼室２０に形成された開口２２ａではない方の開口２２ｂは、シリンダヘッド６の端面に形成されており、シリンダヘッド６がシリンダブロック４と組み合わされると、開口２２ｂは主燃焼室１４の上面における径方向中間部に臨み、副燃焼室２０と主燃焼室１４とが連絡孔２２を介して連通される。

図１を参照して説明を続けると、シリンダヘッド６には更に、副燃焼室２０内に燃料を噴射するインジェクタ２４が設けられている。インジェクタ２４は、所謂内開弁式のインジェクタであり、全体的に軸状であって、その内部には軸方向に延びる燃料流路（図示せず）が形成されている。インジェクタ２４の軸方向片端面（図示の実施形態においては、下端面）には上記燃料流路から燃料を噴射する噴射孔２６が設けられていると共に、軸方向他端部（図示の実施形態においては、上端面）には上記燃料流路に燃料を供給するための口部２８が形成されている。インジェクタ２４の内部には、図示しないニードル弁が内蔵されており、このニードル弁は、図示しない電磁ソレノイドによりその作動が制御され、後述するエンジンＥＣＵから送られてくる電気信号に基づいて所望の噴射時期で噴射孔２６を開閉する。インジェクタ２４からの燃料の噴射時期については後に言及する。図示の実施形態においては、インジェクタ２４は後述する制御手段によって燃料の噴射圧が８乃至４０ＭＰａとなるよう制御される。本発明にかかるディーゼル機関においては副室式を採用していることから、直噴式のように高圧（例えば２００ＭＰａ）で燃料を噴射する必要が無い。そのため、インジェクタ、図示しない燃料ポンプ、後述する燃料通路管、及び図示しない燃料配管等の構造を過剰に堅牢にする必要はなく、噴射装置の製造コストを低く抑えることができる。

インジェクタ２４はシリンダヘッド６に挿通され、噴射孔２６が副燃焼室２０内に露出されると共に、少なくとも口部２８を含むインジェクタ２４の軸方向他端部がシリンダヘッド６の外側に露出される。そして、口部２８には、図示しない固定手段によってシリンダヘッド６に固定された燃料通路管３０が接続される。このとき、図２において一点鎖線で示すとおり、図示の実施形態においては、インジェクタ２４の軸線は、連絡孔２２の軸線と一致する。ここで、図１等においては、シリンダ８はシリンダブロック４に一つしか示されていないが、実際には複数個のシリンダ８がシリンダブロック４に形成されており、シリンダ８の数と同数の燃焼室（主燃焼室１４及び副燃焼室２０）が存在している。つまり、インジェクタ２４もシリンダ８の数と同数設置されており、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料は共通の燃料通路管３０を介して夫々のインジェクタ２４に分配される。

排気ポート１６には排気通路３２が接続され、この排気通路３２には燃焼室から排出された排気を浄化する酸化触媒３４及び微粒子捕集フィルタ３６が配置されている。酸化触媒３４は微粒子捕集フィルタ３６よりも排気通路３２の上流側に設けられ（排気通路３２中の排気の流れは、図１において矢印で示されている）、燃焼室から排出された燃焼ガスは酸化触媒３４及び微粒子捕集フィルタ３６を順次通過した後に外部に排出される。酸化触媒３４は所定の酸化反応によって活性化することで燃焼ガスを昇温させることが可能である。微粒子捕集フィルタ３６は燃焼ガスに含まれるススの如き微粒子を捕集してこれが外部に排出されるのを防止するものである。かような酸化触媒３４及び微粒子捕集フィルタ３６はディーゼル機関の排気ガス処理装置として広く用いられているため、その詳細な説明については省略する。

本発明にかかるディーゼル機関２にあっては、機関運転状態を検出する機関運転状態検出手段、及び制御手段を備えている。機関運転状態検出手段は、ピストン１２を往復運動させるためのクランク１０の角度位置を検出するクランク角度センサ３８、ディーゼル機関２の冷却水の温度を検出する水温センサ４０、共通の燃料通路管３０内の燃料の圧力を検出する燃料圧センサ４２、副燃焼室２０の壁面温度を検出する副室壁面測温センサ４４、酸化触媒３４の入口に設けられた第一の排気温度センサ４５、酸化触媒３４と微粒子捕集フィルタ３６との間に設けられた第二の排気温度センサ４６、及び微粒子捕集フィルタ３６の前後差圧を計測する差圧計測手段を含んでいる。図示の実施形態においては、差圧計測手段は微粒子捕集フィルタ３６の前後に設置された２つの圧力センサ４８ａ及び４８ｂから構成されている。さらに、制御手段はコンピューターの如きエンジンＥＣＵ５０によって構成され、これは制御プログラムに従って演算処理する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、制御プログラム等を格納するリードオンメモリ（ＲＯＭ）と、検出した検出値、演算結果等を一時的に格納するための読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、入力インターフェース、及び出力インターフェースとを備えている（詳細についての図示は省略）。

次に、図１と共に図３を参照して１サイクル中のインジェクタ２４の噴射タイミングについて説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は何れも、横軸にクランク角度、縦軸にエンジンＥＣＵ５０からインジェクタ２４に入力される電気信号の有無を示しており、インジェクタ２４は通電されている期間だけ燃料を噴射する。
通常時、つまり後述する再生状態にないときは、図３（ａ）に示すとおり、エンジンＥＣＵ５０は、インジェクタ２４がピストン１２の圧縮行程における上死点（ＴＤＣ）近傍で燃料を噴射した後は、インジェクタ２４は燃料の噴射を行わないよう制御する。なお、エンジンＥＣＵ５０は、インジェクタ２４がメイン噴射５２としてピストン１２の圧縮行程における上死点近傍で燃料を噴射するよりも前に、インジェクタ２４が予備噴射（所謂パイロット噴射或いはプレ噴射）として適宜燃料を噴射するように制御することもある。

一方、微粒子捕集フィルタ３６に所定量の微粒子が捕集されたことを機関運転状態検出手段が検出すると、エンジンＥＣＵ５０は、図３（ｂ）に示すとおり、インジェクタ２４がメイン噴射５２をした後のピストン１２の膨張行程において追加噴射５４をするよう制御する。図示の実施形態においては、エンジンＥＣＵ５０は、追加噴射５４を、ピストン１２の圧縮上死点からのクランク角度が１２０度に到達するまでに行う。かような制御は一般に「再生モード」と称され、図示の実施形態においては、（１）微粒子捕集フィルタ３６に所定量の微粒子が捕集されたこと、の他に（２）冷却水温が所定値以上であること、（３）排気ガス温が所定値以上であること、（４）副燃焼室２０の壁面温度が所定値以上であること、を作動条件としている。図示の実施形態においては、上記（１）については、微粒子捕集フィルタ３６の前後に設けられた差圧計測手段の値、つまり圧力センサ４８ａ及び４８ｂが計測した圧力の差が所定値を超えるか否かにより判断される。つまり、上記圧力の差が所定値を超えた場合には、微粒子捕集フィルタ３６は充分な量の微粒子を捕集しており、目詰まりを生じている（又は生じかけている）と判断される。

ここで、追加噴射５４は、ピストン１２の膨張行程において、ピストン１２が圧縮上死点近傍にあるときに燃料を噴射するアフター噴射５６と、ピストン１２がクランク角９０度以降に燃料を噴射するポスト噴射５８とに分けられる。アフター噴射５６は、既燃ガスに燃料が噴射されることで酸化反応が引き起こされ、これによって排気ガスを昇温させ、酸化触媒３４そのものを加熱して活性化させることを目的としている。一方、ポスト噴射５８は、噴射された燃料が副燃焼室２０及び主燃焼室１４では燃焼せずに未燃のまま排気ポート１６を介して排気通路３２に排出された後に酸化触媒３４に到達し、酸化触媒３４にて酸化反応を引き起こすことで酸化触媒３４を通過する排気ガスを昇温させることを目的としている。再生モードの作動中にあっては、エンジンＥＣＵ５０は、機関運転状態検出手段によって検出される運転状態に応じてアフター噴射５６及びポスト噴射５８の噴射量及び噴射タイミング等を適宜制御する。このときまた、エンジンＥＣＵ５０は、必ずしもアフター噴射５６とポスト噴射５８の両方を噴射する必要はなく、機関の運転状態に応じてアフター噴射５６とポスト噴射５８のいずれかのみを噴射するように制御することもある。

本発明の副室式ディーゼル機関においては、インジェクタ２４はエンジンＥＣＵ５０からの電気信号によって任意のタイミングで燃料を噴射可能であり、微粒子捕集フィルタ３６に所定量の微粒子が捕集されると、インジェクタ２４はメイン噴射５２をした後のピストン１２の膨張行程において追加噴射５４をする。追加噴射５４によって排気ガスは昇温され、微粒子捕集フィルタ３６に捕集された微粒子は燃焼させられる。つまり、本発明の副室式ディーゼル機関においては、副燃焼室２０内に燃料を噴射するインジェクタ２４以外に別途の燃料供給手段を設けることなく、従って燃料系統を複雑にすることなく、微粒子捕集フィルタ３６の再生を行うことが可能となる。

ここで、追加噴射５４がピストン１２の膨張行程前半に行われる場合には、副燃焼室２０と主燃焼室１４との間の圧力差が比較的大きいため、副燃焼室２０内における燃焼ガス等の気体の流速は比較的大きく、副燃焼室２０内に噴射された燃料は、燃焼ガス等の流れに乗って副燃焼室２０から主燃焼室１４へ送出される。一方、追加噴射５４がピストン１２の膨張行程後半に行われる場合には、副燃焼室２０と主燃焼室１４との間の圧力差は比較的小さいため上記気体の流速は比較的小さく、副燃焼室２０内に噴射された燃料が上記気体の流れによって充分に流されない場合がある。この場合には、追加噴射５４をしても上記した追加噴射５４の効果（つまりアフター噴射５６及びポスト噴射５８の効果）が得られない。この点、図示の実施形態においては、インジェクタ２４の軸線が連絡孔２２の軸線と一致するため、追加噴射５４がピストン１２の膨張行程後半に行われた場合であっても、追加噴射５４としてインジェクタ２４から噴射された燃料は、副燃焼室２０及び連絡孔２２の壁面に付着することなく主燃焼室１４に到達することが可能となる。従って、ピストン１２の膨張行程中の時期によらず追加噴射５４は主燃焼室１４へ到達し、上記追加噴射５４の効果が確実に得られる。

上記再生モードによって微粒子捕集フィルタ３６内に捕集された微粒子が燃焼されると、エンジンＥＣＵ５０は再生モードを停止させ、インジェクタ２４には例えば図３（ａ）に示すとおりの通常時の燃料噴射をさせるよう制御する。

以上本発明のディーゼル機関について添付図面を参照して詳述したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。例えば、本実施形態においては、シリンダヘッドはシリンダブロックの上面に載置されてピストンは上下方向に往復動しているが、これに替えて、シリンダヘッドをシリンダブロックの横面に載置してピストンが横（水平）方向に往復動するようにしてもよい。
また、本実施形態においては、前後差圧センサ４８として微粒子捕集フィルタ３６の前後に圧力センサ４８ａ及び４８ｂが配置されていたが、微粒子捕集フィルタ３６の出口に配置された圧力センサ４８ｂを省略して大気圧を代用してもよい。

２：ディーゼル機関
１２：ピストン
１４：主燃焼室
２０：副燃焼室
２２：連絡孔
２８：インジェクタ
３２：排気通路
３４：酸化触媒
３６：微粒子捕集フィルタ
４６：排気温度センサ
４８：前後差圧センサ
５２：メイン噴射
５４：追加噴射
５６：アフター噴射
５８：ポスト噴射

Claims (7)

1. 連絡孔によって連通された主燃焼室及び副燃焼室と、前記副燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、排気通路に配置されて排気を浄化する酸化触媒及び微粒子捕集フィルタと、機関運転状態を検出する機関運転状態検出手段と、制御手段とを備え、前記インジェクタは前記制御手段からの電気信号によって任意のタイミングで燃料を噴射可能である副室式ディーゼル機関において、
   前記微粒子捕集フィルタに所定量の微粒子が捕集されたことを前記機関運転状態検出手段が検出すると、前記制御手段は前記インジェクタにメイン噴射をした後のピストンの膨張行程において追加噴射をさせる、ことを特徴とする副室式ディーゼル機関。
2. 前記運転状態検出手段はクランク角度センサを含み、
   前記制御手段は前記インジェクタに前記追加噴射を、ピストンの圧縮上死点からのクランク角度が１２０度に到達するまでにさせる、請求項１に記載の副室式ディーゼル機関。
3. 前記運転状態検出手段は副室壁面測温センサを含み、
   前記制御手段は、前記副燃焼室の壁面の温度が所定値以下のときは、前記微粒子捕集フィルタに前記所定量の微粒子が捕集されていた場合であっても、前記インジェクタに前記追加噴射をさせない、請求項１又は２に記載の副室式ディーゼル機関。
4. 前記運転状態検出手段は、前記酸化触媒と前記微粒子捕集フィルタとの間に設けられた排気温度センサと、前記微粒子捕集フィルタの前後差圧を計測する差圧計測手段とを含んでいる、請求項１乃至３のいずれかに記載の副室式ディーゼル機関。
5. 前記制御手段は前記インジェクタに前記追加噴射を多段的にさせる、請求項１乃至４のいずれかに記載の副室式ディーゼル機関。
6. 前記追加噴射として前記インジェクタから噴射された燃料は、前記副燃焼室及び前記連絡孔の壁面に付着することなく前記主燃焼室に到達する、請求項１乃至５のいずれかに記載の副室式ディーゼル機関。
7. 前記運転状態検出手段は燃料圧センサを含み、前記インジェクタには燃料ポンプによって加圧された燃料が供給され、
   前記制御手段は、前記インジェクタに供給される燃料の目標圧力を８乃至４０ＭＰａに制御する、請求項１乃至６のいずれかに記載の副室式ディーゼル機関。