JP3581540B2

JP3581540B2 - ディーゼル機関

Info

Publication number: JP3581540B2
Application number: JP27207197A
Authority: JP
Inventors: 裕一日野; 君代徳田; 龍夫高石
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2017-09-18
Also published as: JPH1193672A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直接噴射式ディーゼル機関に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
図１１〜図１２は一般的な直接噴射式ディーゼル機関における燃焼室周りの構成図であり、図１１はピストンの圧縮行程途中、図１２はピストンの上死点における状態示す。
図１１〜図１２において、２はピストン、５はシリンダ、３はシリンダヘッド、１は該シリンダ５の内面とシリンダヘッド３の下面とピストン２の上面とで区画形成される燃焼室である。４は前記燃焼室１内に燃料を噴射する燃料噴射弁、６は燃料噴射ポンプ（図示参照）からの高圧燃料を該燃料噴射弁４に圧送するための燃料噴射管である。また、７はピストンロッドである。
【０００３】
かかるディーゼル機関において、給気弁（不図示）から燃焼室１内に供給された空気は、図１１に示すように、ピストン２の上昇によって圧縮される。そして、該ピストン２の上死点の手前で燃料噴射弁４から燃料が噴射され（図１２参照）、この燃料噴霧が周囲の空気と混合しながら発達し、燃料噴霧と空気との混合気はさらに圧縮されて着火、燃焼せしめられる。
かかる混合、燃焼時においては、燃焼室１内の空気量と燃料噴霧の量とによって平均の空気比：Ｂ、つまり空気と燃料の比が決まる（一般的にはＢ：１．５〜２．０程度）が、安定着火をなさしめるため均一な予混合を避けて、局所的に濃混合比の混合気を形成し、この部分から着火燃焼させる擬拡散燃焼状態を呈している。
【０００４】
このため、かかる従来のディーゼル機関にあっては、燃焼温度が局所的に高くなりＮＯｘ（窒素酸化物）の発生量が多くなり、また、未燃分としての煤塵の量も多くなり、公害規制上好ましくない。
【０００５】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、高い燃焼効率を維持しつつ、ＮＯｘ発生量及び煤塵の量を低減した直接噴射式ディーゼル機関を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、燃料噴射ポンプから圧送された燃料を、燃料噴射弁によりピストンの上部に形成された燃焼室内に直接噴射するように構成された直接噴射式ディーゼル機関において、
前記ピストンは、前記燃焼室に臨む頂面の中央部を陥没して中央凹型燃焼室が設けられるとともに、該中央凹型燃焼室の外側に、該中央凹型燃焼室より凹部深さを深く形成した環状の外側凹型燃焼室が設けられて、上死点においてはピストンとシリンダヘッドとの接近により前記両燃焼室が隔てられるピストンであって、
前記燃料の一部を燃料噴射弁により燃焼室内に噴射する第１次噴射後、上死点の直前で前記燃料の残部を前記燃料噴射弁から前記中央凹型燃焼室内に噴射する第２次噴射をなさしめ中央凹型燃焼室に濃混合気を形成することを特徴とするディーゼル機関を提案する。
【０００７】
かかる発明によれば、第１次噴射とその後のピストンの上昇によって燃焼室内に空気比の大なる希薄で均一な混合比の予混合気を形成し、この希薄な予混合気中に第２次噴射によって燃料噴射弁の近傍に燃料濃度の大きい濃混合気を形成する。そして、この濃混合気が先に着火し、その火炎によって希薄な予混合気が着火、燃焼せしめられる。
かかる予混合と２段燃焼によって完全燃焼がなされて煤塵の生成が回避されるとともに、筒内圧力の上昇率が小さくなって筒内温度の上昇が抑制されＮＯｘの発生が低減される。
【０００８】
また、前記ピストンには、前記燃焼室に臨む頂面の中央部を陥没して中央凹型燃焼室が設けられるとともに、該中央凹型燃焼室の外側に環状の外側凹型燃焼室が設けられている。
【０００９】
かかるピストン構成によれば、中央凹型燃焼室がピストンの上死点の直前で一時的に外側凹型燃焼室から独立せしめられ、ここに第２次噴射によって濃混合気を形成するので、濃混合気の着火が迅速に行なわれ、
さらに、ピストンの下降によって中央凹型燃焼室内の濃混合気の燃焼火炎がピストンの頂面とシリンダヘッドの下面との間の隙間通路から外側凹型燃焼室内の希薄な予混合気中へと高速で噴出されるので、予混合気の着火・燃焼がより速やかに行なわれ、完全燃焼がより確実に達成できる。
【００１０】
また本発明は、少なくとも前記外側凹型燃焼室内に、該燃焼室内の空気あるいは燃焼噴霧に旋回力を付与する旋回手段を設けてなるのがよい。
かかる発明によれば、少なくとも外側凹型燃焼室内に設けられた旋回羽根・旋回溝等の旋回手段によって空気流に旋回力が付与され、かかる旋回力によって燃焼室内における燃料噴霧と空気との混合がさらに迅速かつ均一になされる。
【００１１】
さらに本発明は、燃料噴射弁を複数個備え、少なくともそのうち２個を前記燃焼室の中心に対して偏心させかつ燃焼室の接線方向に燃料を噴射するように互いに対向して水平方向に設けるのがよい。
かかる発明によれば、複数の燃料噴射弁からの燃料が燃焼室内の接線方向に対向するように噴射されるため、燃焼室内に燃料の旋回流が生じ、これによって予混合時の燃料を空気との混合が促進される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１３】
図１は本発明の基本構成に係る直接噴射式ディーゼル機関の燃焼室周り及び燃料噴射装置の構成図、図２〜図３はこれの作用説明図である。
【００１４】
図１において、２はピストン、７は該ピストン２に連結されるピストンロッド、５はシリンダ、３はシリンダヘッド、１は該シリンダ５の内面とシリンダヘッド３の下面とピストン２上面とで区画形成される燃焼室である。４は該燃焼室１内に燃料を噴射する燃料噴射弁、１５は該燃料噴射弁４に燃料噴射管６を介して高圧燃料を圧送する燃料噴射ポンプである。
【００１５】
１６は制御装置、１３は前記ディーゼル機関（以下機関と称する）の回転数、出力等の運転状態を検出する運転状態検出器で、前記制御装置１６は前記運転状態検出器１３からの機関回転数、機関出力（負荷）等の運転状態の検出信号に基づき、燃料噴射ポンプ１５に噴射量、噴射タイミング（噴射時期）等の制御信号を出力するようになっている。
【００１６】
かかるディーゼル機関の運転時において、給気弁（不図示）から燃焼室１内に供給された空気は、ピストン２の上昇によって圧縮される。そしてこのピストン２の圧縮工程の途中において制御装置１６は、燃料噴射ポンプ１５に第１次噴射の制御信号を出力する。
【００１７】
即ち、該制御装置１６は、これに入力される機関の運転状態（機関回転数おるいは機関出力）に対応する燃料噴射量のうち２０〜９０％の量（この割合は運転状態検出器１３から入力される機関の運転状態によって異なる）を第１次噴射として設定された噴射タイミングで噴射せしめる制御信号を燃料噴射ポンプ１５に送り、燃料噴射ポンプ１５からはかかる第１次噴射の噴射燃料が前記噴射タイミングで以って燃料噴射弁４に圧送される。このため第１次噴射燃料は、図２に示すように燃料噴射弁４から燃焼室１内に噴射され、燃焼室１内には第１次噴射燃料と圧縮された空気との希薄な予混合気（空気比の大きい混合気）６ａが形成される。
【００１８】
ピストン２がさらに上昇する過程で、第１次噴射燃料と空気との予混合が促進され、均一な予混合気６ａとなる。そしてピストン２が上死点の手前の所定のクランク角位置になると、前記制御装置１６は、この運転状態のもとにおける燃料噴射量のうち前記１次噴射された噴射量の残量（全噴射量の８０〜１０％）を第２噴射として設定された噴射タイミングで噴射せしめる制御信号を燃料噴射ポンプ１５に送り、該燃料噴射ポンプ１５からはかかる第２次噴射の噴射燃料が前記噴射タイミングで以って燃料噴射弁４に圧送される。この第２次噴射燃料は、図３に示すように、燃焼室１内に噴射され、燃焼室１内の燃料噴射弁４の近傍に局所的に濃混合比の濃混合気６ｂを形成する。
【００１９】
かかる第１次噴射及び第２次噴射によって燃焼室１内においては、第１次噴射によって燃焼室１内に形成された空気比の大きい希薄な予混合気６ａが充満した中に、第２次噴射によって残りの燃料を噴射することによって、この第２次噴射燃料の噴霧は周囲の予混合気６ａとその一部が混合される。
しかしながら、ピストン２の位置が燃焼過程の最高位置つまり上死点近傍位置に達する時間が短く、前記混合割合は僅少のため、図３に示すように、第２次噴射の噴霧域は局所的に空気比が小さく燃料濃度の大きい濃混合気６ｂが形成される。そして、ピストン上死点到達前にこの濃混合気６ｂに着火、燃焼し、この火炎によって周囲の希薄な予混合気６ａの着火、燃焼がなされる。
【００２０】
従って、かかる実施形態によれば、第１次噴射及びピストン２の上昇によって燃焼室１内に均一な混合比の予混合気６ａを形成できる。そしてかかる希薄な予混合気６ａ中に第２次噴射によって燃料噴射弁４の近傍に燃料濃度の高い濃混合気６ｂを形成し、該濃混合気６ｂを先に着火せしめその火炎によって希薄な予混合気６ａに着火、燃焼させるので、完全燃焼がなされて煤塵の生成が回避されるとともに、筒内圧力の上昇率が低くなって筒内温度の上昇が抑制され、ＮＯｘの発生が低減される。
【００２１】
図４は、この実施形態に示されるような直接噴射式ディーゼル機関における前記予混合火炎の空気比と発生するＮＯｘ量との関係を示す。
図４において、前記第１次噴射において、形成される空気比の大きい希薄混合気６ａの火炎の燃焼をＡ、第２次噴射において形成される空気比の小さい濃混合気６ｂの火炎の燃焼をＣにて示す。従って、この実施形態における前記第１次、第２次噴射を組合せた燃焼においては、ＮＯｘ量はＡ点とＣ点との平均値となる。また、前記従来技術における燃焼をＢにて示す。
図４に明らかなように、本発明の実施形態の場合（Ａ、Ｃ点の平均値）は、従来技術（Ｂ点）よりもＮＯｘの排出量が小さい。
【００２２】
図５〜図６は本発明の実施形態を示す直接噴射式ディーゼル機関の図２〜図３に対応する図である。
この実施形態においては、ピストン２の頂部の中央部に、前記燃料噴射弁４に対向させて陥没させてなる中央凹型燃焼室２ｃを形成し、図５より明らかなようにその外側に中央凹型燃焼室２ｃより凹部深さを深く形成した環状の外側凹型燃焼室２ｂを形成している。その他の構成は前記第１実施形態と同様である。
【００２３】
かかる実施形態において、ピストン２の圧縮行程の途中で前記第１実施形態と同様な燃料の第１次噴射を行うと、図５に示すように、中央凹型燃焼室２ｃ及び外側凹型燃焼室２ｂを含む燃焼室１には、空気比の大きい希薄な予混合気６ａが形成される。この第１次噴射燃料と空気との予混合は、ピストン２の上昇とともに、中央及び外側凹型燃焼室２ｃ及び２ｂを含む燃焼室１全体で促進され均一な予混合気６ａが形成される。
【００２４】
ピストン２がさらに上昇し、上死点に近くなると、中央凹型燃焼室２ｃが外側凹型燃焼室２ｂから仕切られ独立した形の燃焼室となり、この燃焼室２ｃ内に燃料噴射弁４から残量燃料の第２次噴射が行なわれる。
これによっても中央凹型燃焼室２ｃには、前記第２次噴射燃料と空気とが混合して濃混合比の濃混合気６ｂが形成され、これが着火、燃焼を始める。
この濃混合気６ｂの燃焼火炎は、ピストン２の下降により、中央凹型燃焼室２ｃと外側凹型燃焼室２ｂとが完全に連通すると、外側凹型燃焼室２ｂへと伝播され、該燃焼室２ｂ内の希薄な予混合気６ａを着火、燃焼せしめる。
これにより、予混合方式による完全燃焼がなされ煤塵の抑制及びＮＯｘの低減が実現される。
【００２５】
この実施形態においては、中央凹型燃焼室２ｃをピストン２の上死点の直前で一時的に外側凹型燃焼室２ｂから独立させた形にして、ここに第２次噴射によって濃混合気６ｂを形成するので、前記基本構成よりも濃混合気６ｂの着火が迅速に行なわれ、さらに、ピストン２の下降によって、ピストン２の中央凹型燃焼室２ｃ内での燃焼火炎が、該燃焼室２ｃの周壁とシリンダヘッド３の下面との間に形成される隙間通路から外側凹型燃焼室２ｂ内の希薄な予混合気６ａ内へと高速で噴出されるので、該予混合気６ａの着火、燃焼がより速やかに促進される。
【００２６】
図７及び図８は本発明の他の実施形態を示し、図７はピストンの中心線に沿う断面図、図８は図７のＡ−Ａ線断面図である。
この実施形態においては、前記第２実施形態におけるピストンに旋回羽根あるいは旋回溝を設けている。
即ち図７〜図８において、２ｃ及び２ｂは前記実施形態と同様なピストン２の中央凹型燃焼室及び外側凹型燃焼室であり、双方の燃焼室２ｃ、２ｂの内部（好ましくは図７に示すような底部）には旋回羽根１１、１２が設けられている。
【００２７】
上記旋回羽根のうち外側凹型燃焼室２ｂ内の旋回羽根１１は、図８に示すように、外側凹型燃焼室２ｂ内でガス旋回流が生ずるように螺旋上に形成されている。また、中央凹型燃焼室２ｃ内の旋回羽根１２は、図示を省略したが、これも前記旋回羽根１１と同様な螺旋状に形成されている。
【００２８】
かかる実施形態においては、第１次噴射によって外側凹型燃焼室２ｂ内に形成された燃料噴霧は、旋回羽根１１に接することによって旋回力を付与されて強い旋回流を生じ、燃料噴霧と空気との予混合が前記第１、第２実施形態よりも迅速に、かつ均一に行なわれる。
続いて中央凹型燃焼室２ｃに第２次噴射によって噴射された燃料噴霧は、その内部に設けられた旋回羽根１２により撹拌されつつ空気と混合し、濃混合気６ｂとなって着火、燃焼せしめられる。
そして、前記実施形態と同様に、ピストン２が下降し始めると、中央凹型燃焼室２ｃ内での着火、燃焼炎が外側凹型燃焼室２ｂ内に移行し、該燃焼室２ｂ内の予混合気６ａを着火、燃焼せしめる。
【００２９】
尚、前記旋回羽根１１あるいは１２に代えて、中央凹型燃焼室２ｃ及び外側凹型燃焼室２ｂの底面に旋回溝（不図示）を設けてもよい。また、外側凹型燃焼室２ｂのみに前記旋回羽根１１あるいは旋回溝を設けてもよい。
【００３０】
かかる実施形態においては、外側凹型燃焼室２ｂ及び中央凹型燃焼室２ｃに旋回羽根１１、１２、あるいは旋回溝を設けているので、該旋回羽根１１、１２あるいは旋回溝によって空気流に旋回力が付与されることにより、両燃料室２ｂ、２ｃ内における燃料噴霧と空気との混合が前記第１、第２実施形態よりも迅速にかつ均一に促進される。
【００３１】
図９〜図１０は本発明の他の実施形態を示し、図９はそのシリンダ中心線に沿う断面図、図１０は燃料噴射弁の平面配置図である。
この実施形態においては、燃料噴射弁を複数個配設している。
即ち図９〜図１０において、４ａ、４ｂ、４ｃは燃料噴射弁であり、この噴射弁は、図１０に示すように、１個の噴射弁４ｂをシリンダ中心線上に配置し、他の２個の噴射弁４ａ、４ｃをシリンダ中心からずらし、燃焼室１内に接線方向から燃料を噴射するように、横向き（水平方向）に設けられている。
【００３２】
この実施形態においては、横向き（水平方向）に設けられた燃料噴射弁４ａ、４ｃからの燃料が燃焼室１内で対向せしめられて接線方向に噴射されるため、燃焼室１内に燃料の旋回流が生じる。これによって、特に予混合時における燃料と空気との混合が促進される。
【００３３】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、第１次噴射とその後のピストンの上昇によって燃焼室内に空気比の大なる希薄で均一な混合比の予混合気が形成され、この希薄な予混合気中に第２次噴射によって燃料噴射弁の近傍に燃料濃度の大きい濃混合気を形成され、かかる濃混合気が先に着火し、その火炎によって希薄な予混合気が着火、燃焼せしめられるので、
かかる予混合及び２段燃焼によって、完全燃焼がなされて煤塵の生成排出を防止することができる。また、上記燃焼形態によって筒内圧力の上昇率が小さくなって筒内圧力の上昇が抑制され、ＮＯｘの発生を低減することができる。
【００３４】
また本発明は、中央凹型燃焼室がピストンの上死点の直前で一時的に外側凹型燃焼室から独立せしめられ、ここに第２次噴射によって濃混合気を形成するので、濃混合気の着火が迅速に行なわれ、さらに、ピストンの下降によって中央凹型燃焼室内の濃混合気の燃焼火炎がピストンの頂面とシリンダヘッドの下面との間の隙間通路から外側凹型燃焼室内の希薄な予混合気中へと高速で噴出されるので、予混合気の着火、燃焼がより速やかに行なわれ、完全燃焼がより確実に達成でき、燃焼効率が向上する。
【００３５】
また本発明によれば、少なくとも前記外側凹型燃焼室に設けられた旋回手段によって、空気流に旋回力が付与され、かかる旋回力によって燃料室内における燃料噴霧と空気との混合が前記の場合よりもさらに迅速かつ均一になされる。
【００３６】
さらに本発明によれば、複数の燃料噴射弁からに燃料が燃焼室内の接線方向に対向するように噴射されるため、燃焼室内に燃料の旋回流が生じ、これによって予混合時の燃料と空気との混合が促進され、燃焼効率がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る直接噴射式ディーゼル機関の燃焼室周り及び燃料噴射装置の構成図である。
【図２】本発明の基本構成に係る上記ディーゼル機関の作用説明図である。
【図３】上記基本構成における作用説明図（その２）である。
【図４】上記基本構成における空気比とＮＯｘ量との関係を示す線図である。
【図５】本発明の実施形態に係る上記ディーゼル機関の作用説明図（その１）である。
【図６】上記の実施形態における作用説明図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る上記ディーゼル機関のピストンの構成図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る上記ディーゼル機関の構成図である。
【図１０】上記他の実施形態における平面配置図である。
【図１１】従来技術に係る上記ディーゼル機関の作用説明図（その１）である。
【図１２】上記従来技術の作用説明図（その２）である。
【符号の説明】
１燃焼室
２ピストン
２ｂ外側凹型燃焼室
２ｃ中央凹型燃焼室
３シリンダヘッド
４、４ａ、４ｂ、４ｃ燃料噴射弁
５シリンダ
６燃料噴射管
６ａ予混合気
６ｂ濃混合気
１１、１２旋回羽根
１３運転状態検出器
１５燃料噴射ポンプ
１６制御装置

Claims

燃料噴射ポンプから圧送された燃料を、燃料噴射弁によりピストンの上部に形成された燃焼室内に直接噴射するように構成された直接噴射式ディーゼル機関において、
前記ピストンは、前記燃焼室に臨む頂面の中央部を陥没して中央凹型燃焼室が設けられるとともに、該中央凹型燃焼室の外側に、該中央凹型燃焼室より凹部深さを深く形成した環状の外側凹型燃焼室が設けられて、上死点においてはピストンとシリンダヘッドとの接近により前記両燃焼室が隔てられるピストンであって、
前記燃料の一部を燃料噴射弁により燃焼室内に噴射する第１次噴射後、上死点の直前で前記燃料の残部を前記燃料噴射弁から前記中央凹型燃焼室内に噴射する第２次噴射をなさしめ中央凹型燃焼室に濃混合気を形成することを特徴とするディーゼル機関。
少なくとも前記外側凹型燃焼室内に、該燃焼室内の空気あるいは燃料噴霧に旋回力を付与する旋回手段を設けてなる請求項１記載のディーゼル機関。
前記燃料噴射弁を複数個備え、少なくともそのうちの２個を前記燃焼室の中心に対して偏心させ、かつ燃焼室の接線方向に燃料を噴射するように互いに対向して水平方向に設けてなる請求項１、２の何れか１つに記載のディーゼル機関。