JP2021188529A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃費向上と煤抑制に有利な空気噴射を実行可能なディーゼルエンジンを提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１は、シリンダ３内に画成された燃焼室６と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料インジェクタ７と、燃焼室内に空気を噴射する空気インジェクタ１２と、燃料インジェクタおよび空気インジェクタを制御するように構成された制御ユニット１００とを備える。制御ユニットは、燃料インジェクタに燃料噴射を開始させた後、燃焼室内における熱発生率がピーク値となった時期の付近において、空気インジェクタに空気噴射を開始させる。【選択図】図１

Description

本開示はディーゼルエンジンに関する。

一般にディーゼルエンジンは、シリンダ内に画成された燃焼室と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料インジェクタとを備えている。圧縮上死点付近で燃料インジェクタから噴射された燃料は、燃焼室内で自己着火される。

また、燃焼室内に空気を噴射する空気インジェクタを備えたディーゼルエンジンも知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−１２４６１７号公報

ディーゼルエンジンにおいては、燃費を向上すると同時に、燃焼室内で発生する煤を抑制することが望まれている。

しかし、従来、こうした目的を達成するのに有利な空気噴射を実行するものが見当たらない。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、燃費向上と煤抑制に有利な空気噴射を実行可能なディーゼルエンジンを提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
シリンダ内に画成された燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料インジェクタと、
前記燃焼室内に空気を噴射する空気インジェクタと、
前記燃料インジェクタおよび前記空気インジェクタを制御するように構成された制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、前記燃料インジェクタに燃料噴射を開始させた後、前記燃焼室内における熱発生率がピーク値となった時期の付近において、前記空気インジェクタに空気噴射を開始させる
ことを特徴とするディーゼルエンジンが提供される。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記燃焼室内における熱発生率がピーク値となった時期から、ピーク値の約１０％に低下した時期までの間の一部または全部の期間において、前記空気インジェクタに空気噴射を実行させる。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記空気インジェクタによる空気噴射を音速より低速で実行させる。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記空気インジェクタによる空気噴射を５０〜３００ｍ／ｓの範囲内の速度で実行させる。

好ましくは、前記ピストンの頂面にキャビティが設けられ、前記キャビティ内には、その底部から隆起する凸部が設けられ、前記空気インジェクタは、前記凸部に向かって空気を噴射する。

前記キャビティは、リエントラント型キャビティであってもよい。

本開示によれば、燃費向上と煤抑制に有利な空気噴射を実行可能なディーゼルエンジンを提供することができる。

本実施形態の内燃機関を示す縦断面図である。 熱発生率の変化と、燃料噴射および空気噴射の噴射時期および噴射期間とを示すグラフである。 煤排出量を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

本実施形態に係るディーゼルエンジンは、車両用であり、特にトラック等の大型車両の動力源として使用される。しかしながら、エンジンの用途はこれに限定されない。例えば車両は乗用車等の小型車両用であってもよい。またエンジンは、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に搭載されるものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されるものではなく、定置式のものであってもよい。

図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、ピストン２と、ピストン２が昇降可能かつ同軸に収容されたシリンダ３と、シリンダ３の上端開口を閉じるシリンダヘッド４と、ピストン２の外周面に装着された複数（本実施形態では三つ）のピストンリング５と、これらにより画成された閉空間である燃焼室６とを備える。燃焼室６はシリンダ３内に画成され、シリンダ３はシリンダブロック９に形成される。またエンジン１は、シリンダヘッド４に取り付けられ燃焼室６内に燃料を噴射する燃料インジェクタ７を備える。燃料インジェクタ７は、コモンレール（図示せず）から供給された高圧燃料を噴射する。本実施形態の燃焼室６が副室式ではなく、直噴式であることに留意されたい。

Ｃはシリンダ３の中心軸（シリンダ軸という）を示す。以下、特に断らない限り、軸方向、半径方向および周方向といった場合、シリンダ軸Ｃを基準とした軸方向、半径方向および周方向をいうものとする。軸方向は高さ方向ともいい、図中上方が高さ方向の上側、下方が下側である。

ピストン２はシリンダ軸Ｃと同軸に配置される。ピストン２は、その頂面８の半径方向内側の部分に凹設されたキャビティ１１を有する。本実施形態のキャビティ１１はリエントラント型であり、凸部２５と、外周側面部２６と、リップ部２７と、傾斜面部２８とを有する。

凸部２５は、キャビティ１１内の半径方向中心部においてその底部から上方に向かって隆起して形成されている。凸部２５は、その半径方向中心部に位置された頂面すなわち凸部頂面２４と、凸部頂面２４の半径方向外側に隣接された凸部傾斜面２３とを有する。凸部頂面２４は、シリンダ軸Ｃに垂直な円形の平面により形成される。凸部傾斜面２３は、半径方向外側に向かうにつれ下側に向かうよう傾斜された円錐面により形成される。

外周側面部２６は、凸部２５（具体的には凸部傾斜面２３）の半径方向外側に隣接され、凸部２５に連続されると共に、半径方向外側に向かって凸となる円弧状の断面形状を有する。リップ部２７は、外周側面部２６の上側に隣接され、外周側面部２６に連続されると共に、半径方向内側に向かって凸となる円弧状の断面形状を有する。これによりリップ部２７はキャビティ１１の入口を絞る。

傾斜面部２８は、リップ部２７の半径方向外側に隣接され、リップ部２７に連続されると共に、リップ部２７とピストン頂面８を繋ぐ。ピストン頂面８がシリンダ軸Ｃに垂直な平面により形成されるのに対し、傾斜面部２８は、シリンダ軸Ｃに垂直な方向に対して小角度で傾斜された平面により形成される。傾斜面部２８は、半径方向内側に向かうにつれ下側に向かうよう傾斜されている。

もっとも、キャビティ１１の形状は任意であり、トロイダル型、深皿型、浅皿型等であってもよい。

燃料インジェクタ７は、その先端部１０を下向きにしてシリンダ軸Ｃと同軸に配置されている。燃料インジェクタ７の先端部１０は、シリンダヘッド４の下面すなわち燃焼室６の天井面２９よりも下方に突出され、燃焼室６の半径方向の中心部に配置されている。燃料インジェクタ７の先端部１０には、複数（例えば８個）の噴孔２０が周方向等間隔で設けられている。一つの噴孔２０は、半径方向外側かつ下方の斜め下に向かって燃料を噴射し、全噴孔２０は放射状に燃料を噴射する。これにより燃焼室６内には、噴孔２０の位置を起点もしくは頂点とした円錐状の燃料噴霧Ｆが形成される。燃料噴霧Ｆの中心軸（噴霧軸という）を符号Ｃｆで表す。

図１は、ピストン２が圧縮上死点付近に位置するときの様子を示す。

加えてエンジン１は、燃焼室６内に空気を噴射する空気インジェクタ１２と、燃料インジェクタ７および空気インジェクタ１２を制御するように構成された制御ユニットである電子制御ユニット（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）１００とを備える。ＥＣＵ１００は、図示しないセンサから得られたエンジン運転状態を示す情報に基づき、燃料インジェクタ７および空気インジェクタ１２の開閉時期を制御する。空気インジェクタ１２は、凸部２５に向かって空気を噴射する。

空気インジェクタ１２には、図示しない空圧源（例えばエアタンク）から高圧空気もしくは圧縮空気が供給されている。ＥＣＵ１００により空気インジェクタ１２が開弁されると、空気インジェクタ１２は圧縮空気を噴射する。この噴射された圧縮空気は、シリンダヘッド４に形成された噴射口１３を通じて燃焼室６内に噴射される。図１に示すように、後述の空気噴射期間において、噴射口１３は、キャビティ１１内の凸部傾斜面２３に向けられる。従って噴射口１３から噴射された圧縮空気Ａは、凸部傾斜面２３に衝突され、その後拡散される。凸部傾斜面２３に衝突する前の圧縮空気Ａの中心軸を符号Ｃａで表す。この圧縮空気Ａも概ね円錐状である。

空気インジェクタ１２および噴射口１３は、互いに同軸に配置され、かつ、下方に向かうにつれ半径方向内側に向かうよう傾斜して配置される。そして凸部傾斜面２３の上部に、直角に近い向きで、圧縮空気Ａを衝突させる。その結果、衝突後の圧縮空気Ａの一部は、凸部傾斜面２３を上り、凸部頂面２４を覆ってこれを超える位置まで拡散される。これにより、圧縮空気Ａを広範囲に拡散させることができる。

次に、ＥＣＵ１００によって実行される本実施形態の制御を説明する。

図２には、燃焼室６内における熱発生率Ｑ（Ｊ／°ＣＡ）の変化と、この変化をもたらす燃料噴射および空気噴射の噴射時期および噴射期間とを示す。横軸はクランク角θ（°ＡＴＤＣ）であり、θ＝０は圧縮上死点（ＴＤＣ）、＋は遅角側、−は進角側を意味する。なお図２はシミュレーション結果を示す。

熱発生率Ｑについては、本実施形態の場合を実線Ｌ１で示し、比較例の場合を一点鎖線Ｌ２で示す。比較例では空気インジェクタ１２が省略され、空気噴射が行われない。以下特に断らない限り、本実施形態の場合を説明する。

燃料インジェクタ７による燃料噴射に関し、本実施形態では周知のパイロット噴射とメイン噴射が実行される。ＥＣＵ１００は、パイロット噴射開始時期θｐからパイロット噴射期間Δθｐの間、燃料インジェクタ７にパイロット噴射を実行させる。そしてその後、所定のインターバルを経て、メイン噴射開始時期θｍからメイン噴射期間Δθｍの間、燃料インジェクタ７にメイン噴射を実行させる。パイロット噴射の実行により、熱発生率Ｑが一旦小さく上昇、下降し、その後メイン噴射の実行により、熱発生率Ｑが大きく上昇、下降する。

本実施形態の場合、パイロット噴射開始時期θｐは圧縮上死点前とされ、メイン噴射開始時期θｍは圧縮上死点後とされる。メイン噴射期間Δθｍはパイロット噴射期間Δθｐの約４倍とされる。

一方、空気インジェクタ１２による空気噴射は、メイン噴射の開始後で、かつ、熱発生率Ｑがピーク値Ｑｐｋとなった時期（ピーク時期という）θｐｋの付近（ピーク時期θｐｋを含む）に開始される。ＥＣＵ１００は、メイン噴射開始時期θｍの後の空気噴射開始時期θａから、空気噴射期間Δθａの間、空気インジェクタ１２に空気噴射を実行させる。

これら噴射開始時期θｐ、θｍ、θａおよび噴射期間Δθｐ、Δθｍ、Δθａは、ＥＣＵ１００がエンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づき、所定のマップ（関数でもよい。以下同様）を用いて決定する。従ってＥＣＵ１００が、エンジン運転状態に基づいて空気噴射開始時期θａを決定すると、その時期は自ずと、予め実験的に求められた、あるいは、ＥＣＵ１００によって推定されたピーク時期θｐｋ付近となる。

ＥＣＵ１００は、熱発生率Ｑがピーク値Ｑｐｋとなった時期θｐｋから、ピーク値Ｑｐｋの約１０％（１０％を含む）の値Ｑｐｋ１０に低下した時期θｐｋ１０までの間（熱発生率低下期間Δθｆという）の一部または全部の期間において、空気インジェクタ１２に空気噴射を実行させる。図示例の場合、ピーク時期θｐｋおよび熱発生率低下期間Δθｆの直前から空気噴射が開始され、熱発生率低下期間Δθｆが終了する前に空気噴射が終了される。従って空気噴射は、熱発生率低下期間Δθｆの一部の期間において実行される。また空気噴射は、ピーク時期θｐｋ付近から、熱発生率低下期間Δθｆの前半部において重点的に実行される。

図示例では、メイン噴射期間Δθｍの終了前に空気噴射が開始されている。しかしながら空気噴射は、メイン噴射期間Δθｍの終了と同時かその後に開始されてもよい。

一方、ＥＣＵ１００は、燃焼室６内の攪拌に適した（もしくは必要十分な）速度で空気インジェクタ１２に空気噴射を実行させる。言い換えれば、空気噴射によって燃焼室６内に噴射される（噴射口１３から出た直後の）圧縮空気Ａの初期速度は、燃焼室６内の攪拌に適した速度である。こうした速度は、衝撃波を生成するために超音速とされた特許文献１の空気噴射速度より当然に低く、音速（３４０ｍ／ｓ）より低速であり、好ましくは５０〜３００ｍ／ｓの範囲内の速度である。音速より低速で空気噴射を行うため、超音速を達成するような大掛かりな空気噴射装置を設けずに済み、装置の簡素化を図れる。

ＥＣＵ１００は、１燃焼サイクル中における最大筒内圧（図示せず）より高い圧力で空気インジェクタ１２に空気噴射を実行させる。言い換えれば、空気噴射によって燃焼室６内に噴射される圧縮空気Ａの初期圧力は、最大筒内圧より高い圧力である。これにより、燃焼室６内のガスを、噴射された圧縮空気Ａによって効果的に攪拌することができる。好ましくは、空気噴射の圧力（初期圧力）は、最大筒内圧より１〜１０ＭＰａ高い圧力である。こうした好ましい空気噴射圧力は、予め実験的に求めることができる。

次に、本実施形態の利点を説明する。

図２に示すように、メイン噴射が実行されると、熱発生率Ｑが急激に大きく上昇し、ピーク値Ｑｐｋに達し、その後緩やかに低下する。ピーク時期θｐｋ付近では、燃焼室６内の燃焼が最も活発となっている。

本実施形態によれば、このピーク時期θｐｋ付近で空気噴射が開始される。すると、噴射された圧縮空気Ａが、燃焼室６内のガスを攪拌する。これにより、燃焼室６内に元々存在していた空気を既燃ガスに積極的に取り込ませると同時に、新たに噴射された圧縮空気Ａをも既燃ガスに取り込ませ、燃焼をより活発化させることができる。

これにより、空気噴射を行わない比較例（線Ｌ２）よりも、ピーク値Ｑｐｋを上げることができ、また、ピーク時期θｐｋ以降の燃焼期間（Ｑ＞０となっている期間）中の前半期間における燃焼を促進し（熱発生率Ｑを上昇し）、後半期間における燃焼すなわち後燃えを抑制（熱発生率Ｑを低下）することができる。その結果、燃焼の活発化により燃費を向上することができる。

また図３には、燃焼室６内における煤発生量のクランク角θに対する変化を示すシミュレーション結果を示す。本実施形態の場合を実線Ｌ３で示し、比較例の場合を一点鎖線Ｌ４で示す。

図示するように、メイン噴射の実行により煤発生量も急激に大きく上昇し、ピーク値に達し、その後緩やかに低下する。本実施形態の場合だと、比較例より多くの空気を取り込んで燃焼を活発化させることができる。そのため比較例よりも、煤の酸化を促進することができ、クランク角θ毎の煤発生量、ひいては、１燃焼サイクル中における煤発生量の総量を低下させることができる。本シミュレーション結果によれば、本実施形態の煤発生量の総量を、比較例よりも３０％低下させることができた。これにより、燃焼室６内で発生する煤を抑制することができる。

このように本実施形態のディーゼルエンジンによれば、燃費向上と煤抑制に有利な空気噴射を実行することができる。

また本実施形態では、ピーク時期θｐｋ付近で開始された空気噴射が、熱発生率低下期間Δθｆの一部または全部の期間において実行される。上述したように、本実施形態の燃焼形態は、ピーク時期θｐｋ以降の燃焼期間中の前半期間において熱発生率Ｑを上昇させ、後半期間において熱発生率Ｑを低下させる（すなわち後燃えを抑制する）ことを狙いとしている。熱発生率低下期間Δθｆは、熱発生率Ｑが比較的急激に低下する期間であり、緩慢な後燃えが開始する時期より概ね前の期間である。よってこの熱発生率低下期間Δθｆの一部または全部の期間で空気噴射を実行することで、本実施形態の燃焼形態の実現に非常に有利となる。

なお、空気噴射が開始されるピーク時期θｐｋ付近とは、例えば、熱発生率Ｑがピーク値Ｑｐｋの所定割合以上となっている時期と定義することができる。所定割合は、例えば８５％とすることができる。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。

（１）空気インジェクタ１２は、噴射口１３を介さずに空気を燃焼室６内に直接噴射してもよい。

（２）空気噴射は、ピーク時期θｐｋまたはその直後から開始されてもよく、熱発生率低下期間Δθｆの終了時期またはその後に終了されてもよい。

（３）ピストンの形状は任意であり、例えば、キャビティ内の凸部が無いものであってもよい。

（４）傾斜面部２８は省略されてもよく、リップ部２７と頂面８を直接接続してもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ ディーゼルエンジン
２ ピストン
３ シリンダ
６ 燃焼室
７ 燃料インジェクタ
８ 頂面
１１ キャビティ
１２ 空気インジェクタ
２５ 凸部
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (6)

1. シリンダ内に画成された燃焼室と、
   前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料インジェクタと、
   前記燃焼室内に空気を噴射する空気インジェクタと、
   前記燃料インジェクタおよび前記空気インジェクタを制御するように構成された制御ユニットと、
   を備え、
   前記制御ユニットは、前記燃料インジェクタに燃料噴射を開始させた後、前記燃焼室内における熱発生率がピーク値となった時期の付近において、前記空気インジェクタに空気噴射を開始させる
   ことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記制御ユニットは、前記燃焼室内における熱発生率がピーク値となった時期から、ピーク値の約１０％に低下した時期までの間の一部または全部の期間において、前記空気インジェクタに空気噴射を実行させる
   請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記制御ユニットは、前記空気インジェクタによる空気噴射を音速より低速で実行させる
   請求項１または２に記載のディーゼルエンジン。
4. 前記制御ユニットは、前記空気インジェクタによる空気噴射を５０〜３００ｍ／ｓの範囲内の速度で実行させる
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のディーゼルエンジン。
5. 前記ピストンの頂面にキャビティが設けられ、前記キャビティ内には、その底部から隆起する凸部が設けられ、前記空気インジェクタは、前記凸部に向かって空気を噴射する
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のディーゼルエンジン。
6. 前記キャビティがリエントラント型キャビティである
   請求項５に記載のディーゼルエンジン。

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