JP2020084847A - 副室式ディーゼル機関 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタから噴射された燃料が副燃焼室内で空気と良好に混合される副室式ディーゼル機関を提供すること。【解決手段】連絡孔２２の延長線と副燃焼室２０の壁面との間の所定位置に、ピストン１２の圧縮行程において主燃焼室１４から連絡孔２２を通って副燃焼室２０内に進入した空気流によって強制渦が形成される隅空間部３２を設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、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ディーゼル機関に関する。

例えば特許文献１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。上記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、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インジェクタから燃料が噴射される。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。

このとき、エミッションの観点からは、上記着火後に生じた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副燃焼室内で空気と均一に混合されるのが好ましい。

特許第３８５１７２７号公報

上記特許文献１で開示された副室式ディーゼル機関にあっては、副燃焼室は全体的に球形状であるため、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進入した空気流は、副燃焼室の内壁面に沿って自由渦（渦流）のみを形成する。そのため、副燃焼室内での空気の流れは一定であり、インジェクタから噴射された燃料は上記自由渦に沿って流されるだけで、副燃焼室内において空気と充分に混合されない。

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、インジェクタから噴射された燃料が副燃焼室内で空気と良好に混合される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、連絡孔の延長線と副燃焼室の壁面との間の所定位置に、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進入した空気流によって強制渦が形成される特異な空間部を設けることによって、上記主たる技術的課題が達成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を備えた副室式ディーゼル機関において、
前記連絡孔はピストンの往復運動方向に対して傾斜して延出し、前記連絡孔の延長線と前記副燃焼室の壁面との間には、ピストンの圧縮行程において前記主燃焼室から前記連絡孔を通って前記副燃焼室内に進入した空気流によって強制渦が形成される隅空間部が設けられている、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、前記副燃焼室は、半球形状の主部と、前記主部の環状開放端縁に接続された逆円錐台形状部とから構成され、前記連絡孔の前記副燃焼室側の開口は、前記逆円錐台形状部の内側側面から内側にオフセットして設けられている。好適には、前記インジェクタは前記隅空間部に向かって燃料を噴射する。このとき、前記インジェクタから噴射される燃料の噴射中央軸線は、該連通孔を通過する縦断面図において、ピストンの圧縮運動方向に対して２０度乃至４５度傾斜するのがよい。前記インジェクタの噴射孔は、間隔をおいて形成された複数の噴射小孔から構成されるのが良い。前記インジェクタの噴射孔はスリット形状であってもよい。前記インジェクタからの燃料の噴射圧は８乃至４０ＭＰａであるのが好ましい。

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り、前記制御手段は、前記機関運転状態検出手段によって検出されたクランク角がピストンの圧縮上死点前１８０度乃至６０度の間に、前記インジェクタが複数回の予備噴射を行うよう制御することができる。その際には、前記制御手段は、前記予備噴射の噴射量がこれと主噴射の噴射量との合算である総噴射量の２５乃至５０％になるように制御すると共に、前記予備噴射として前記インジェクタから噴射された燃料が前記副燃焼室の壁面に到達しないように１サイクルあたりの前記予備噴射の回数を制御するのが良い。また、前記制御手段は、エンジン回転速度が所定値以下のとき、又は、前記予備噴射の噴射量と主噴射の噴射量の合算である総噴射量が所定値以上のとき、或いは、冷却水温が所定値以下のときには、前記機関運転状態検出手段によって検出されたクランク角がピストンの圧縮上死点前１８０度乃至６０度の間であっても、前記インジェクタが前記予備噴射を行わないよう制御するのが好ましい。

本発明の副室式ディーゼル機関においては、連絡孔はピストンの往復運動方向に対して傾斜して延出し、連絡孔の延長線と副燃焼室の壁面との間には、隅空間部が設けられている。そのため、副燃焼室内には、主燃焼室から連絡孔を通って副燃焼室内に進入した空気流である自由渦が形成されると共に、この自由渦によって強制渦が少なくとも隅空間部に副次的に形成され、インジェクタから噴射された燃料は自由渦によってこれに沿って流されると共に強制渦によって攪拌されるため、副燃焼室内において燃料が空気と良好に混合される。

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ける副燃焼室の空気の流れ及び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が備えるインジェクタの噴射孔を示す図。

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１６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（図示せず）が形成されている。吸気ポート１６の出口（つまり主燃焼室１４への入口）及び排気ポートの入口（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）乃至（ｃ）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、半球形状の主部２４と、この主部２４の下端に位置する環状開放端縁に接続された逆円錐台形状部２６とから構成されており、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、主部２４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。逆円錐台形状部２６の側面は、主燃焼室１４の中心軸ｏに沿って下方に向かって径方向内側に１０度乃至２０度傾斜するのが好ましい。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は、主燃焼室１４の中心軸ｏに沿って上方に向かって径方向外側に５５度乃至７０度傾斜するのが好ましい。連絡孔２２における、副燃焼室２０に形成された開口（副燃焼室側開口ともいう）２８ではない方の開口（主燃焼室側開口ともいう）３０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、主燃焼室側開口３０は主燃焼室１４の上面の外周縁部に臨み、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。一方、副燃焼室側開口２８は、図２（ａ）に示すとおり逆円錐台形状部３０の下端面の径方向中間部に形成されている。従って、副燃焼室側開口２８は、逆円錐台形状部２６の内側側面から径方向内側に距離ｄだけオフセットして設けられており、連絡孔２２の延長線と副燃焼室２０の壁面との間には、隅空間部３２が設けられる。隅空間部３２にあっては、ピストン１２の圧縮行程において主燃焼室１４から連絡孔２２を通って副燃焼室２０内に進入した空気流（これを自由渦といい、番号３４を付した太矢印で示す）によって強制渦３６（これを細矢印で示す）が形成される。なお、強制渦３６は隅空間部３２以外にも副燃焼室２０内に複数形成される。

本発明の副室式ディーゼル機関２においては、連絡孔２２はピストン１２の往復運動方向に対して傾斜して延出し、連絡孔２２の延長線と副燃焼室２０の壁面との間には、隅空間部３２が設けられている。そのため、副燃焼室２０内には主燃焼室１４から連絡孔２２を通って副燃焼室２０内に進入した空気流である自由渦３４が形成されると共に、この自由渦３４によって強制渦３６が少なくとも隅空間部３２に副次的に形成され、後述するとおりインジェクタ３８から噴射される燃料は、自由渦３４によってこれに沿って流されると共に強制渦３６によって攪拌されるため、副燃焼室２０内において燃料が空気と良好に混合される。

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３８が設けられている。インジェクタ３８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３８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４０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、上端部）には上記燃料流路に燃料を供給するための口部４２が形成されている。インジェクタ３８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４０を開閉する。図示の実施形態においては、インジェクタ３８の噴射孔４０は、図３（ａ）に示すとおり、スリットにより構成されている。所望ならば、噴射孔は、図３（ｂ）において番号４０´で示すとおり、間隔をおいて形成された複数の噴射小孔から形成されるようにしてもよい。また、インジェクタ３８からの燃料の噴射圧は８乃至４０ＭＰａと比較的低圧であってよい。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３８はシリンダヘッド６に挿通され、噴射孔４０が副燃焼室２０内に露出されると共に、少なくとも口部４２を含むインジェクタ３８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４２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４４が接続される。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３８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４４を介して夫々のインジェクタ３８に分配される。

次に、図２を参照して、インジェクタ３８からの燃料の噴射について説明する。
図示の実施形態においては、インジェクタ３８は副燃焼室２０内の隅空間部３２に向かって燃料を噴射する。このとき、インジェクタ３８から噴射される燃料の噴射中央軸線ｓｏは、連通孔を通過する縦断面において、ピストンの圧縮運動方向に対して２０乃至４５度傾斜するのが良い（つまり、図２（ａ）において、燃料の噴射中央軸線ｓｏが主燃焼室１４の中心軸ｏに対して２０乃至４５度傾斜するのが良い）。インジェクタ３８から噴射された燃料は、図２（ａ）に示すとおり比較的流速の大きい自由渦３４と交差し、これによって自由渦３４の下流方向に流されると共に強制渦３６によって攪拌される。このとき、インジェクタ３８から噴射された燃料の一部は自由渦３４を貫通して隅空間部３２に到達し、隅空間部３２でも強制渦によって攪拌される。従って、インジェクタ３８から噴射された燃料は副燃焼室２０内において空気と充分良好に混合されることとなる。

インジェクタ３８は副燃焼室２０内の隅空間部３２ではなく副燃焼室側開口２８に向かって燃料を噴射しても上記効果と同様の効果が得られるとも思われる。しかしながら、インジェクタ３８が副燃焼室側開口２８に向かって燃料を噴射した場合、特に、インジェクタ３８が後述する予備噴射をする場合には、予備噴射はピストンの圧縮行程前半に行われることからシリンダ１０内圧が充分でなく、インジェクタ３８から噴射された燃料が未燃のまま連絡孔２２を通過して直接主燃焼室１４に到達してしまうことがある。インジェクタ３８から噴射された燃料が未燃のまま主燃焼室１４に到達してしまうと、かかる未燃燃料がシリンダ８の壁面に付着して所謂オイル希釈の問題を生じる恐れがある。これを回避するため、インジェクタ３８が副燃焼室側開口２８よりも図２（ａ）において径方向外側に向かって燃料を噴射した場合には、副燃焼室側開口２８が副燃焼室２０の内側側面からオフセットしていないと（換言すると、副燃焼室２０の内側側面が副燃焼室側開口２８からセットバックしていないと）、インジェクタ３８から噴射された燃料が副燃焼室２０の内側側面に到達してこれに付着してしまい、燃焼が悪化してしまう恐れがある。また、インジェクタ３８が副燃焼室側開口２８よりも図２（ａ）において径方向外側に向かって燃料を噴射した場合には、インジェクタ３８から噴射された燃料は、自由渦３４の上流に向かって噴射されることからこれに衝突して拡散され、副燃焼室２０内において空気と良好に混合されやすい。一方、インジェクタ３８が副燃焼室側開口２８よりも図２（ａ）において径方向内側に向かって燃料を噴射した場合には、インジェクタ３８から噴射された燃料は、自由渦３４の下流に向かって噴射されることからこれに沿って流されるだけで、必ずしも副燃焼室２０内において燃料が空気と良好に混合されるとは限らない。

図示の実施形態においては、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少なくともクランク角センサ４６及びエンジン水温センサ４８を含む図示しない各種センサによって構成されている。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）。

本実施形態のディーゼル機関２は機関運転状態検出手段及び制御手段を備えていることから、インジェクタ３８はエンジンＥＣＵ５０（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することができる。このとき、エンジンＥＣＵ５０（制御手段）は、クランク角センサ４６（機関運転状態検出手段）によって検出されたクランク角がピストン１２の圧縮上死点前１８０度乃至６０度の間に、インジェクタ３８が複数回の予備噴射を行うよう制御する。このとき更に、エンジンＥＣＵ５０（制御手段）によって、予備噴射の噴射量がこれと主噴射の噴射量との合算である総噴射量の２５乃至５０％になるようにすると共に、予備噴射としてインジェクタ３８から噴射された燃料が副燃焼室２０の壁面に到達しないように１サイクルあたりの予備噴射の回数を制御するのが好ましい。予備噴射においてインジェクタ３８が燃料を多量に噴射した場合には、シリンダ８内圧が充分ではないため、噴射された燃料の全部は着火せず、その一部が副燃焼室２０の内壁面に付着してしまい、燃焼効率が悪化してしまうためである。

また、エンジンＥＣＵ５０（制御手段）は、クランク角センサ４６によって検出されたエンジン回転速度が所定値以下のとき、又は、予備噴射の噴射量と主噴射の噴射量の合算である総噴射量が所定値以上のとき、或いは、エンジン水温センサ４８によって検出された冷却水温が所定値以下のときには、クランク角がピストン１２の圧縮上死点前１８０度乃至６０度の間であっても、インジェクタ３８が上記予備噴射を行わないよう制御する。かような条件下でインジェクタ３８が予備噴射を行うと、燃焼効率が悪化してしまうためである。

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。

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
２４：主部
２６：逆円錐台形状部
２８：副燃焼室側開口
３０：主燃焼室側開口
３２：隅空間部
３４：自由渦
３６：強制渦
３８：インジェクタ
４０：噴射孔

Claims (10)

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を備えた副室式ディーゼル機関において、
   前記連絡孔はピストンの往復運動方向に対して傾斜して延出し、前記連絡孔の延長線と前記副燃焼室の壁面との間には、ピストンの圧縮行程において前記主燃焼室から前記連絡孔を通って前記副燃焼室内に進入した空気流によって強制渦が形成される隅空間部が設けられている、ことを特徴とする副室式ディーゼル機関。
2. 前記副燃焼室は、半球形状の主部と、前記主部の環状開放端縁に接続された逆円錐台形状部とから構成され、前記連絡孔の前記副燃焼室側の開口は、前記逆円錐台形状部の内側側面から内側にオフセットして設けられている、請求項１に記載の副室式ディーゼル機関。
3. 前記インジェクタは前記隅空間部に向かって燃料を噴射する、請求項１又は２に記載の副室式ディーゼル機関。
4. 前記インジェクタから噴射される燃料の噴射中央軸線は、該連通孔を通過する縦断面図において、ピストンの圧縮運動方向に対して２０度乃至４５度傾斜する、請求項３に記載の副室式ディーゼル機関。
5. 前記インジェクタの噴射孔は、間隔をおいて形成された複数の噴射小孔から構成される、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. 前記インジェクタの噴射孔はスリット形状である、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。
7. 前記インジェクタからの燃料の噴射圧は８乃至４０ＭＰａである、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。
8. 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り、
   前記制御手段は、前記機関運転状態検出手段によって検出されたクランク角がピストンの圧縮上死点前１８０度乃至６０度の間に、前記インジェクタが複数回の予備噴射を行うよう制御する、請求項１乃至７のいずれかに記載の副室式ディーゼル機関。
9. 前記制御手段は、前記予備噴射の噴射量がこれと主噴射の噴射量との合算である総噴射量の２５乃至５０％になるように制御すると共に、前記予備噴射として前記インジェクタから噴射された燃料が前記副燃焼室の壁面に到達しないように１サイクルあたりの前記予備噴射の回数を制御する、請求項８に記載の副室式ディーゼル機関。
10. 前記制御手段は、エンジン回転速度が所定値以下のとき、又は、前記予備噴射の噴射量と主噴射の噴射量の合算である総噴射量が所定値以上のとき、或いは、冷却水温が所定値以下のときには、前記機関運転状態検出手段によって検出されたクランク角がピストンの圧縮上死点前１８０度乃至６０度の間であっても、前記インジェクタが前記予備噴射を行わないよう制御する、請求項８又は９に記載の副室式ディーゼル機関。