JP3743575B2

JP3743575B2 - ディーゼル機関の燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP3743575B2
Application number: JP01703795A
Authority: JP
Inventors: 好央武田
Original assignee: 株式会社新エィシーイー
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2021-02-08
Also published as: JPH08210169A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃費、スモーク及びＮＯX を同時に低減させるためのディーゼル機関の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直接噴射式ディーゼル機関において、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。
【０００３】
従来、上記問題を解決するために、高圧噴射（例えば噴射圧１００ＭＰａ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７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、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の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の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、図８に示すように、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
ＮＯX の同時低減を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、噴射時期を大幅に遅らせていくと、着火遅れ増大により、図８に示すように、ＮＯX が再び増加しそれ以上噴射時期を遅らせてもＮＯX は低減できない。また、高圧噴射は低圧噴射と比較して、噴射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、従って、噴霧Ｆはノズル側で常に新気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
ＮＯX の発生量が多くなるという問題を有している。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するものであって、燃費、スモーク及びＮＯX を同時に低減させることができるディーゼル機関の燃料噴射制御装置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】
そのために本発明のディーゼル機関の燃料噴射制御装置は、ディーゼル機関の燃焼室４の略中心部に配設されるセンターインジェクタ７と、前記燃焼室４の側部に対向して配設される２本のサイドインジェクタ９、１０とを備え、前記センターインジェクタ７から高圧燃料を噴射後、所定時間遅れて、２本のサイドインジェクタ９、１０から前記高圧燃料より低圧で少量の燃料を噴射す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。
【０００７】
【作用および発明の効果】
本発明においては、燃料がセンターインジェクタ７から噴射後、ある時間遅れてから着火する間に燃料と空気の混合が促進され、着火後、シリンダ圧力、ガス温度はピーク値まで上昇したとき、サイドインジェクタ９、１０の噴射を加えることにより、高温中に燃料が噴射され、燃焼時間が短くなり燃焼効率が向上し燃費が低減される。また、センターインジェクタ７からの噴霧は、燃焼室４の壁近傍で燃焼し、燃焼室４の中心部には未利用の空気が残っているが、サイドインジェクタ９、１０からの噴霧はこの空気を利用することにより燃焼するため、スモークの発生を低減させることができ、さらに、燃焼初期において噴霧性状を悪化させることなく、予混合燃焼を抑制してＮＯX を低減させることができる。
【０００８】
【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、本発明のディーゼル機関の燃料噴射制御装置の１実施例を示す構成図である。
【０００９】
シリンダ１内には、ピストン２が摺動自在に嵌合され、シリンダ１の上部には、シリンダヘッド３が固定され、シリンダ１、ピストン２およびシリンダヘッド３により囲まれる空間に燃焼室４が形成されている。ピストン２はコンロッド５を介してクランク軸６に連結され、シリンダヘッド３には、燃焼室４の略中心部にセンターインジェクタ７が配設され、また、燃焼室の側部に対向して２本のサイドインジェクタ９、１０が配設されている。
【００１０】
センターインジェクタ７は、アキュムレータ１１を介して高圧燃料発生装置１２に接続され、２本のサイドインジェクタ９、１０は、アキュムレータ１３を介して高圧燃料発生装置１４に接続されている。センターインジェクタ７用の高圧燃料発生装置１２は、燃料を最大３００ＭＰａの圧力に昇圧可能にされ、サイドインジェクタ９、１０用の高圧燃料発生装置１４は、クランク軸６にギヤ１５を介して連結され、燃料を最大１５０ＭＰａの圧力に昇圧可能にされている。なお、一つの高圧燃料発生装置から２つの圧力調整弁によりセンターインジェクタ７およびサイドインジェクタ９、１０に所定圧の燃料を供給する構成にしてもよい。
【００１１】
制御装置１６には、ピストン２の位置を検出するクランク角度信号、基準信号となる上死点信号が入力され、制御装置１６においてメモリに記憶されている燃料噴射時期、噴射量、噴射圧力に基づいて比較、演算、処理が行われ、その出力信号が高圧燃料発生装置１２、１４、センターインジェクタ７および２本のサイドインジェクタ９、１０に出力される。
【００１２】
図２は、本発明における実験に用いた燃料噴射装置の各インジェクタの配置を示し、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は断面図である。シリンダ１の内径を１３５ｍｍとし、センターインジェクタ７は、６本の噴孔を有し隣接する噴孔の角度を均等にし、垂直面視での相対する噴霧の角度を１５５゜とし、燃焼室４の中心に配置している。２本のサイドインジェクタ９、１０は、ピストン２の中心線から２．５ｍｍオフセットした位置に燃焼室４の側部に対向するように
１１７ｍｍ間隔で垂直線から３１゜外側に傾斜して配設している。サイドインジェクタ９、１０をピストン２の中心線からオフセットして配置した理由は他部品との干渉を避けるためである。サイドインジェクタ９、１０の噴孔はサイドインジェクタ９、１０の中心線を対称として２本とし、平面視での２本の噴霧中心角度をα、垂直面視での水平線からの噴霧中心角度をβとし、センターインジェクタ７のサイドインジェクタ９に隣接する噴霧中心と、ピストン２の中心線との角度をγとしている。
【００１３】
図３は、図２の燃料噴射装置を用いた本発明の比較例における実験を説明するための図であり、図３（Ａ）は燃料噴射パターンを説明するための図、図３（Ｂ）は実験結果を説明するための図である。本実験は、エンジン回転数Ｎｅ＝１０００ｒｐｍ、空気過剰率λ＝１．４、センターインジェクタ７およびサイドインジェクタ９、１０の噴孔径０．１７ｍｍ、α＝３０゜、β＝１０゜とし、図３（Ａ）に示すように、センターインジェクタ７およびサイドインジェクタ９、１０の燃料噴射圧力をともに１００ＭＰａ、センターインジェクタ７の噴射量を
９８ｍｍ³ ／ストローク、サイドインジェクタ９、１０の噴射量を
１２ｍｍ³ ／ストローク、センターインジェクタ７の燃料噴射時期を
上死点後３゜と固定し、サイドインジェクタ９、１０の燃料噴射時期を同一で変化させて行った。
【００１４】
図３（Ｂ）において、×印は、センターインジェクタ７からの噴射のみの実験を、黒三角印および□印は、サイドインジェクタ９、１０の噴射を加えた実験を示し、さらに、黒三角印はγ＝０゜すなわちセンターインジェクタ７の噴霧がサイドインジェクタ９、１０の２本の噴霧の中間に位置する場合の実験を、□印はγ＝３０゜すなわちセンターインジェクタ７の噴霧間にサイドインジェクタ９、１０の２本の噴霧が入る場合の実験を示している。
【００１５】
本実験によれば、燃費（Ｂ．Ｓ．Ｆ．Ｃ）およびスモークレベル（ＦＳＮ）は、センターインジェクタ７からの噴射のみの場合よりも、サイドインジェクタ９、１０の噴射を加えた場合の方が大幅な低減効果が見られ、とくに、サイドインジェクタ９、１０の噴射時期をセンターインジェクタ７から噴射時期よりも
約１０゜遅らせた場合に低減効果が大きいことが判明した。一方、未燃炭化水素濃度（ＴＨＣ）はセンターインジェクタ７からの噴射のみの場合よりも若干増加し、ＮＯX 濃度はセンターインジェクタ７からの噴射のみの場合よりも大幅に増加し、かつγ＝０゜の方がγ＝３０゜の場合より増大したことが判明した。
【００１６】
上記実験では、燃費およびスモークについては改善が見られたがＮＯX については逆に悪化したので、これを改善するための実験を行った。図４は本発明の実施例における実験を説明するための図であり、図４（Ａ）は燃料噴射パターンを説明するための図、図４（Ｂ）は実験結果を説明するための図である。本実験は、図４（Ａ）に示すように、センターインジェクタ７燃料噴射圧力を１００ＭＰａ、噴射量を１１０ｍｍ³ ／ストローク、サイドインジェクタ９、１０の燃料噴射圧力を４０ＭＰａ、噴射量を６ｍｍ³ ／ストローク、サイドインジェクタ９、１０の燃料噴射時期をセンターインジェクタ７の噴射時期から１８゜遅らせて行った。その他の実験条件は前記比較例と同様である。
【００１７】
図４（Ｂ）において、×印は、センターインジェクタ７からの噴射のみの実験を示し、○印は、γ＝３０゜すなわちセンターインジェクタ７の噴霧間にサイドインジェクタ９、１０の２本の噴霧が入る場合の実験を示し、図中矢印方向にセンターインジェクタ７の噴射時期を遅らせていった場合の、ＮＯX 濃度と燃費およびスモークレベルとの関係を示している。これによれば、センターインジェクタ７の噴射時期が上死点前６゜〜上死点の範囲で、センターインジェクタ７からの噴射のみの場合よりも、サイドインジェクタ９、１０の噴射を加えた場合の方が、燃費、スモークレベルおよびＮＯX 濃度が大幅に改善されることが判明した。
【００１８】
図５は本発明の作用効果を説明するための図であり、図中、実線はセンターインジェクタ７からの噴射のみの場合、点線は、サイドインジェクタ９、１０の噴射を加えた場合を示し、クランク角度に対するシリンダ圧力、ガス温度および燃料噴射率（Ｒ．Ｏ．Ｈ．Ｒ）の関係を示している。
【００１９】
燃料がセンターインジェクタ７から噴射後、ある時間遅れてから着火するが、この遅れ時間の間に燃料と空気の混合が促進され着火し、シリンダ圧力、ガス温度はピーク値まで上昇する。このピーク値近傍でサイドインジェクタ９、１０の噴射を加えると、高温中に燃料が噴射されるため、燃焼時間が短くなり燃焼効率が向上し燃費が低減される。また、センターインジェクタ７からの噴霧は、燃焼室４の壁近傍で燃焼し、燃焼室４の中心部には未利用の空気が残っているが、サイドインジェクタ９、１０からの噴霧はこの空気を利用することにより燃焼するため、スモークの発生を低減させることができる。さらに、燃焼初期において噴霧性状を悪化させることなく、予混合燃焼を抑制してＮＯX を低減させることができる。
【００２０】
図６は、本発明の他の実施例における実験を説明するための図であり、図４（Ｂ）と同様の実験結果を説明するための図である。本実施例においては、サイドインジェクタ９、１０の燃料噴射時期をセンターインジェクタ７の噴射時期からｄθ＝１２゜、１５゜、１８゜遅らせて行った結果を示している。これによれば、ｄθ＝１２゜〜１８゜の範囲で、センターインジェクタ７からの噴射のみの場合よりも、サイドインジェクタ９、１０の噴射を加えた場合の方が、燃費、スモークレベルおよびＮＯX 濃度が大幅に改善されることが判明した。
【００２１】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく種々の変形が可能であり、以下に本発明の必要な条件を記載する。
【００２２】
▲１▼センターインジェクタ７およびサイドインジェクタ９、１０の噴孔の数、α、β、γの値は、上記実施例に限定されるものではなく、要するに、サイドインジェクタ９、１０からの噴霧が噴射初期の段階でセンターインジェクタ７の噴霧と衝突しない配置であればよい。
【００２３】
▲２▼サイドインジェクタ９、１０の位置は、ピストン２の中心線になるべく近い方がよい。
【００２４】
▲３▼サイドインジェクタ９、１０を傾斜させるのは、図示しない給排気弁と干渉させないためである。
【００２５】
▲４▼センターインジェクタ７の燃料噴射圧は、１００〜３００ＭＰａであり、サイドインジェクタ９、１０の燃料噴射圧は、センターインジェクタ７の燃料噴射圧の３０〜５０％が好ましい。
【００２６】
▲５▼負荷に応じて変動するセンターインジェクタ７の燃料噴射量に対して、サイドインジェクタ９、１０の燃料噴射量は、センターインジェクタ７の燃料噴射量の５〜１５％が好ましい。
【００２７】
▲６▼センターインジェクタ７の燃料の噴射時期は、上死点前６゜〜上死点の範囲であり、サイドインジェクタ９、１０の燃料噴射時期は、センターインジェクタ７の噴射時期から１２゜〜１８゜遅らせる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディーゼル機関の燃料噴射制御装置の１実施例を示す構成図である。
【図２】本発明における実験に用いた燃料噴射装置の各インジェクタの配置を示し、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は断面図である。
【図３】図２の燃料噴射装置を用いた本発明の比較例における実験を説明するための図であり、図３（Ａ）は燃料噴射パターンを説明するための図、図３（Ｂ）は実験結果を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例における実験を説明するための図であり、図４（Ａ）は燃料噴射パターンを説明するための図、図４（Ｂ）は実験結果を説明するための図である。
【図５】本発明の作用効果を説明するための図であり、クランク角度に対するシリンダ圧力、ガス温度および燃料噴射率の関係を示す図である。
【図６】本発明の他の実施例における実験を説明するための図であり、図４（Ｂ）と同様の実験結果を説明するための図である。
【図７】従来の高圧噴射方式のディーゼル機関を説明するための図であり、図７（Ａ）は断面図、図７（Ｂ）は平面図である。
【図８】燃料噴射時期に対するＮＯX 濃度、スモーク濃度および着火遅れ時間の関係を示す図である。
【符号の説明】
１…シリンダ、２…ピストン、３…シリンダヘッド、４…燃焼室
７…センターインジェクタ、９、１０…サイドインジェクタ
１２、１４…高圧燃料発生装置、１６…制御装置

Claims

ディーゼル機関の燃焼室の略中心部に配設されるセンターインジェクタと、前記燃焼室の側部に対向して配設される２本のサイドインジェクタとを備え、前記センターインジェクタから高圧燃料を噴射後、所定時間遅れて、２本の前記サイドインジェクタから前記高圧燃料より低圧で少量の燃料を噴射することを特徴とするディーゼル機関の燃料噴射制御装置。