JP2653588B2 - 直接噴射式ディーゼル機関の燃焼方法 - Google Patents

直接噴射式ディーゼル機関の燃焼方法

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JP2653588B2
JP2653588B2 JP3272376A JP27237691A JP2653588B2 JP 2653588 B2 JP2653588 B2 JP 2653588B2 JP 3272376 A JP3272376 A JP 3272376A JP 27237691 A JP27237691 A JP 27237691A JP 2653588 B2 JP2653588 B2 JP 2653588B2
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、スモークおよび窒素酸
化物(NOX )の同時低減を図るための直接噴射式ディ
ーゼル機関の燃焼方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ディーゼル機関において、NOX の生成
を抑えかつスモークの生成を抑えるには、燃焼室壁面ま
での混合気形成を抑え、つまり噴霧を乱さず理論混合比
に近い混合気を少なくし、濃混合気の状態で燃焼させ
(予混合燃焼の抑制によるNOXの低減)、その後、燃
焼室壁面に衝突した噴霧火炎への空気の混合速度を増大
させること(拡散燃焼の活発化によるスモークの低減)
が重要である。
【0003】この燃焼方式に最も近い方式が図3に示す
予燃焼室式ディーゼル機関である。1はピストン、2は
ピストンリング、3はシリンダライナー、4はガスケッ
ト、5はシリンダヘッド、6は燃料噴射弁、7はノズル
を示し、燃料噴射弁6とノズル7との間には副室8が形
成され、ピストン1とシリンダヘッドの間には主燃焼室
9が形成され、副室8内で濃混合気の状態で燃焼させ、
主燃焼室9内で希薄混合気状態で燃焼させる方式であ
る。しかし、この方式は、副室8から燃焼ガスが噴出す
るときの絞り損失および副室8からの冷却損失が大きく
燃費が悪化し、また熱負荷が高いため過給には適さない
ので、現在では大型車用としては殆ど採用されていな
い。
【0004】一方、直接噴射式は、予燃焼室式に比べ燃
費が良いが上記のような燃焼を実現することは非常に困
難である。これらを解決するために、直接噴射式と予燃
焼室式の間をねらった構造として、主燃焼室と副室との
間に開閉弁を設ける方式(特開昭63−106321号
公報)、ピストン頭部に突出ピンを設け上死点近くで予
燃焼室の噴孔を絞る方式(内燃機関19巻241号第3
2頁)、主燃焼室と副室の両方に燃料噴射弁を設ける方
式(特開昭63−219831号公報)が提案されてい
るが、いずれも装置が複雑であり満足する性能が得られ
ず実用化には至っていない。
【0005】ところで直接噴射式ディーゼル機関におい
ては、スモークおよびNOX の低減に向けて排気ガス再
循環法(EGR)や燃焼方式の改善等において種々の提
案が行われている。このうちEGRには、燃費の悪化、
スモークの増大、排ガスによるEGR装置の腐食、或い
は機能低下等、耐久性および信頼性の問題がある。
【0006】また、燃焼方式の観点から見れば、現在広
く用いられている低圧噴射の場合、噴霧はノズル近傍で
着火した後、全体が火炎に包まれながら進行し、この
時、噴霧は、空気と同時に自己の生成した既燃ガスを巻
き込みながら燃焼するので、噴霧中心部において高温
部、酸素不足部が形成されスモークの生成要因となり、
既燃ガスの巻き込みはマイナス要因として働くと言われ
ている。このためスモークを低減するには、燃料と空気
を迅速に混合する必要があり、スワール、スキッシュ等
により空気利用率を向上する方法が採られているが、こ
れでは着火遅れの間の燃料、空気混合速度も増大するた
め、予混合燃焼の増加により燃焼初期の熱発生率が増大
し、NOX の増大を招くという相反する問題を有してお
り、これがスモークとNOX の同時低減を困難にしてい
る。
【0007】上記問題を解決するために、高圧噴射(1
000kg/cm2 以上)、小噴孔径ノズル、浅皿燃焼
室および低スワールを組合せる方式が提案されている。
これを図4により説明すると、1はピストン、2はピス
トンリング、3はシリンダライナー、4はガスケット、
5はシリンダヘッド、6はノズル7を有する燃料噴射弁
を示し、ピストン1の頂部には燃焼室9が形成されてい
る。ピストン1が上昇し上死点付近に達したとき、ノズ
ル7から噴射された燃料の噴霧Fは、壁面10近傍で一
気に着火した後、火炎Hは燃焼室9中心に向かって膨張
するが、噴射の終了まで中心部は不燃域として残る。す
なわち、噴霧Fは壁面10に到達するまで燃焼室9中心
に近い不燃域側で十分に新気Aを巻き込みながら進行
し、壁面10側では既燃ガスを導入しながら壁面10に
衝突する二段の燃焼経路をたどる。高圧噴射の場合、噴
射時期を大幅に遅らせても火がつくため噴射時期遅延と
の組み合わせで、低圧噴射と比較してスモークおよびN
X の同時低減を図ることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高圧噴
射は低圧噴射と比較して、噴霧のエネルギーが大きいた
め、火炎Hは噴射エネルギーにより燃焼室9の中心に向
かって広がるのが抑制される。従って、噴霧Fはノズル
7側で常に新気Aを導入するのでスモークは大幅に低減
するが、着火までの空気の導入量が多く既燃ガスの巻き
込みが少ないため、前述したように壁面近傍で一気に着
火し、同一噴射タイミングで比較するとどうしてもNO
X の発生量が多くなるという問題を有している。
【0009】本発明は、上記問題を解決するものであっ
て、燃焼室の構造を変更するだけで、スモーク及びNO
X を同時にかつ大幅に低減させることができる直接噴射
式ディーゼル機関の燃焼方法を提供することを目的とす
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】そのために本発明の直接
噴射式ディーゼル機関の燃焼方法は、ピストン1の頂部
に形成され燃焼室9と、シリンダヘッド5に配設され
燃料噴射弁6と、燃料噴射弁6のノズル7に設けられ
複数の噴孔とを備え、燃焼室9は、ピストン1の頂部
に形成された筒部1bと、筒部1bの底部に形成され、
燃料噴射方向に沿って山形状の傾斜面を有するように筒
部1bの底部に形成された突出部1aと、ノズル7の各
噴孔に対向して筒部1bの内壁奥側に形成され、筒部1
bと連通する連通口9bを有する閉空間の副室9aとを
備え、燃料をノズル7の噴孔から突出部1aの傾斜面に
沿って副室9aの連通口9bに向けて噴射することによ
り、噴霧への新気導入を抑え副室9a内で濃混合気状態
で燃焼させた後、燃焼室9の筒部1bで希薄混合燃焼を
行わせることを特徴とする。なお、上記構成に付加した
番号は、本発明の理解を容易にするために図面と対比さ
せるためのもので、これにより本発明の構成が何ら限定
されるものではない。
【0011】
【作用及び発明の効果】本発明においては、例えば図1
に示すように、ピストン1が上昇し上死点付近に達した
とき、燃料の噴霧は、ノズル7の噴孔から突出部1aの
傾斜面に沿って副室9aの連通口9bに向けて噴射さ
れ、このとき、燃料噴霧が突出部1aの傾斜面に沿って
噴射されるため、噴霧への新気導入が抑えられ、副室9
a内に噴射された燃料の噴霧は、濃混合気状態で燃焼し
燃焼ガスは連通口9bより噴出し、噴出したガスは、
焼室9の筒部1bで希薄混合燃焼を行う。従って、スモ
ークの発生の少ない高圧噴射との組み合わせでNOX
大幅に低減できる。
【0012】また、爆発、排気行程が終了しピストン1
が上死点に上昇した時点で、副室9a内には既燃ガスが
貯留されており、ピストン1が下降する吸入行程におい
て、副室9a内の既燃ガスが、ピストン1の上部に放出
されるため、内部EGR作用が働くことになり、より効
果的にNO X の低減を図ることができる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図1は本発明の直接噴射式ディーゼル機関の燃
方法を説明するための図であり、図Aは平面図、図B
は図AのX−X線に沿って矢印方向に見た断面図であ
る。
【0014】1はピストン、2はピストンリング、3は
シリンダライナー、4はガスケット、5はシリンダヘッ
ド、6はノズル7を有する燃料噴射弁、9は燃焼室を示
し、ノズル7には、燃料を噴射する6つの噴孔が設けら
れているが、噴孔の数は限定されるものではない。燃焼
室9は、ピストン1の頂部に形成された筒部1bと、
ズル7からの燃料噴射方向に沿って、筒部1bの底部に
形成された山形状の傾斜面を有する突出部1aと、ノズ
ル7の噴孔に対向して筒部1bの内壁奥側に形成され
た複数の副室9aとを備えている。副室9aは、筒部1
bの内壁に筒部1bと連通する連通口9bを有し、副室
9aの底部は突出部1aの傾斜面と連続する傾斜面を有
し、連通口9bに対して奥にいくに従い広い閉空間を有
する室として形成されている
【0015】本発明の燃焼方法について説明する。ピス
トン1が上昇し上死点付近に達したとき、燃料の噴霧
は、ノズル7の噴孔から突出部1aの傾斜面に沿って
室9aの連通口9bに向けて噴射され、このとき、燃料
噴霧が突出部1aの傾斜面に沿って噴射されるため、噴
霧への新気導入が抑えられる。副室9a内に噴射された
燃料の噴霧は、副室9a内で着火し、濃混合気状態で
焼し燃焼ガスは連通口9bより噴出する。噴出したガス
は、燃焼室9の筒部1bで希薄混合燃焼を行う。従っ
て、本方式は、スモークの発生の少ない高圧噴射との組
み合わせでNOX を大幅に低減できる。
【0016】また、爆発、排気行程が終了しピストン1
が上死点に上昇した時点で、副室9a内には既燃ガスが
貯留されており、ピストン1が下降する吸入行程におい
て、副室9a内の既燃ガスが、燃焼室9内に放出される
ため、内部EGR作用が働くことになり、より効果的に
NOX の低減を図ることができる。
【0017】図2は本発明の他の実施例を示し、図Aは
平面図、図Bは図AのX−X線に沿って矢印方向に見た
断面図である。なお、図1の実施例と同一の構成および
作用については同一番号を付けて説明を省略する。本実
施例においては、副室9aをその底部が突出部1aの傾
斜面と連続する傾斜面を有するように、ピストン1の中
心部から斜め下方向に穿孔して形成している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の直接噴射式ディーゼル機関の燃焼方法
を説明するための図であり、図Aは平面図、図Bは図A
のX−X線に沿って矢印方向に見た断面図である。
【図2】本発明の他の実施例を示し、図Aは平面図、図
Bは図AのX−X線に沿って矢印方向に見た断面図であ
る。
【図3】従来の予燃焼室式ディーゼル機関の例を示す断
面図である。
【図4】従来の直接噴射式ディーゼル機関の燃焼室の例
を示し、図Aは断面図、図Bは平面図である。
【符号の説明】
1…ピストン、1a…突出部、1b…筒部、3…シリン
ダ 5…シリンダヘッド、6…燃料噴射弁、7…ノズル、9
…燃焼室 9a…副室、9b…連通
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻村欽司 茨城県つくば市苅間2530番地 財団法人 日本自動車研究所内 株式会社 新燃 焼システム研究所内 (56)参考文献 特開 昭53−46508(JP,A) 実開 昭58−2323(JP,U) 実公 昭54−30482(JP,Y2)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ピストンの頂部に形成され燃焼室と、シ
    リンダヘッドに配設され燃料噴射弁と、該燃料噴射弁
    のノズルに設けられ複数の噴孔とを備え、前記燃焼室
    は、ピストンの頂部に形成された筒部と、該筒部の底部
    に形成され、燃料噴射方向に沿って山形状の傾斜面を有
    するように前記筒部の底部に形成された突出部と、前記
    ノズルの各噴孔に対向して前記筒部の内壁奥側に形成さ
    れ、筒部と連通する連通口を有する閉空間の副室とを備
    え、燃料をノズルの噴孔から前記突出部の傾斜面に沿っ
    て副室の連通口に向けて噴射することにより、噴霧への
    新気導入を抑え副室内で濃混合気状態で燃焼させた後、
    燃焼室の筒部で希薄混合燃焼を行わせることを特徴とす
    る直接噴射式ディーゼル機関の燃焼方法
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