JP4075255B2

JP4075255B2 - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP4075255B2
Application number: JP33939699A
Authority: JP
Inventors: 洋一丸谷; 志宏劉
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP2001152859A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディーゼルエンジンに係り、特に舶用でＮＯx の排出量を減少することのできるディーゼルエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは機関シリンダ内に空気のみを吸い込み、これを燃料の着火温度以上の温度になるよう圧縮し、そこへディーゼル油などの燃料を高圧で霧状に噴射させる。この噴霧燃料が空気の圧縮熱によって自然着火して燃焼し、その圧力でピストンを動かして動力を得る圧縮着火の内燃機関である。
【０００３】
ディーゼルエンジンはガソリンエンジンと比較すると次の特徴がある。
（１）熱効率がよく燃料消費率が少ない。単価の安い軽油、灯油、重油などが使えるので運転費が安い。（２）回転速度の広い範囲にわたって回転力の変化が少なく運転しやすい。（３）気化器や点火装置などを必要としないが、燃料を高圧で噴射するための燃料噴射ポンプや噴射弁が必要である。（４）爆発力が大きいので構造が堅固で、同一機関では重量が大きく、高温高圧の燃焼をするから振動や騒音が大きい。（５）過給することによる性能の向上が容易である。
【０００４】
このような特徴があるため大型のものは船舶用として広く用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ディーゼルエンジンは燃焼温度が高いのでＮＯ_xの排出量が多く、また、運転条件により未燃炭素の煤塵を多量に発生させることがある。これを解決するため希薄予混合燃焼が注目されている。希薄予混合燃焼は空燃比を理論値よりも低い状態で燃焼させることにより燃焼温度を下げてＮＯ_xの排出量を少なくするとともに、未燃炭素の発生を抑制する。
【０００６】
希薄予混合燃焼は燃料の高圧噴射により達成することができる。高圧で噴射した燃料は周りの空気を巻き込みながら次第に減速するが、高速の状態では火炎の吹き飛びが起こるので着火せず、減速してから着火するので、初速度が大きく着火するまで充分希薄状態になればよい。しかし、機械的な制約から噴射ポンプの圧力は２００ＭＰａが限界であり、したがって、噴射速度も６００ｍ／ｓが限界である。この噴射速度では希薄混合化前の理論混合比付近で燃焼するためＮＯ_xの低減は図れない。
【０００７】
燃料噴射をシリンダ内の温度が最高値になる前に行う早期噴射により希薄予混合燃焼を達成しようとする研究が進められている。しかし、噴射のタイミングの制御が困難であるため実用化されていない。
【０００８】
本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、ディーゼルエンジンの燃焼室内に噴射する燃料の噴射速度大きくすることにより、燃焼室内で希薄予混合燃焼を達成することによりＮＯ_xや未燃炭素の煤塵の発生を大幅に抑制することのできるディーゼルエンジンを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明のディーゼルエンジンは、燃焼室に細長で外端が閉じた衝撃波管を接続し、該衝撃波管には外端に点火プラグを設け、その内側に着火温度の高いガソリンなどの燃料の噴射口を設け、さらに、その内側に水の噴射口を設け、最も内側で衝撃波管出口付近に着火温度の低いディーゼル油などの燃料噴射口を設けたものである。
【００１０】
上記衝撃波管出口に衝撃波管から噴出してくる燃料と衝突して燃料を微細化する突起物を設けるのが好ましい。
【００１１】
次に本発明の作用を説明する。
ピストンが上昇し、衝撃波管の中に空気充填されている間にガソリン噴射口からガソリンを噴射して管内に充填する。その後ガソリン噴射口よりも出口側に水を噴射し、ガソリンをシールする。ピストンが上死点に近づいたとき水蒸気でシールされた衝撃波管の出口側にディーゼル油噴射口からディーゼル油を噴射する。その直後に点火プラグでガソリンに点火する。初めは通常の火炎を生じるが次第に加速されて衝撃波となりデトネ−ションに遷移する。デトネ−ションとは火炎面の伝ぱする速度が超音速であるものをいう。デトネ−ションによりディーゼル油のミストは２０００〜３０００ｍ／ｓの高速でディーゼルエンジンの燃焼室内に噴射される。高速で噴射されるため燃焼室内の空気の温度はディーゼル油の着火温度を超えていても火炎の吹き飛び現象により着火せず、燃料の速度が減速して吹き飛びが起こらない状態になってから燃焼するが、そのときは空気と燃料は十分希薄に混合しており、燃焼室内で希薄予混合燃焼が達成される。希薄予混合燃焼によりＮＯ_x と未燃炭素の煤塵の発生が大幅に抑制される。なお、デトレーションを起こさせる燃料としてガソリンを、ディーゼルエンジンの燃料としてディーゼル油を用いるものとして説明したが、ガソリンの代わりにＬＰＧを、ディーゼル油の代わりに軽油、灯油または重油を用いても良い。また、衝撃波管出口に突起物を設ければディーゼル油のミストがそれに衝突して微細化されるので好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の１実施形態について図面参照しつつ説明する。
図１は本発明のディーゼルエンジンの部分断面図である、図において１は給気弁である。２はシリンダ（燃焼室）である。なお、本実施形態では燃焼室はシリンダとして説明するが、シリンダとは別の渦流室などの副室であってもよい。３はピストンである。４は細長で外端４ａが閉じた衝撃波管でシリンダ２に接続されている。５は着火温度の高いガソリンなどの燃料噴射口（以下「ガソリン噴射口」という）である。６は水噴射口である。７は着火温度の低いディーゼル油などの燃料噴射口（以下「ディーゼル油噴射口」という）である。衝撃波管４には外端４ａ側から出口４ｂ側に向かって順次、ガソリン噴射口５、水噴射口６、ディーゼル油噴射口７が取り付けられており、ディーゼル油噴射口７は衝撃波管４の出口４ｂ付近に取り付けられている。９は排気弁である。
【００１３】
１０は衝撃波管４の出口付近に設けた頑丈な突起であり、衝撃波管９から噴出してくる燃料ミストと衝突して燃料ミストを微細化する。
【００１４】
図２は通常ディーゼルエンジンに使用される燃料噴射弁の部分断面斜視図である。本発明のガソリン噴射口５、水噴射口６、ディーゼル油噴射口７には、たとえば、図２に示すものを使用することができる。燃料噴射弁は、高圧燃料を微細な霧状にして燃焼室に噴射する自動弁で燃料油圧で自動的に作動する閉止弁式で、先端の噴弁から中実または中空の円錐状に燃料ミストを噴射する。
【００１５】
図５はディーゼルエンジンに使用される燃料ポンプの１部断面斜視図である。ガソリン噴射口５，水噴射口６、ディーゼル油噴射口７に液体を送るポンプとしてたとえば、図５に示すポンプを使用することができる。燃料噴射ポンプは、機関のクランク軸により駆動されるカム軸でプランジャが駆動される。燃料噴射量の調節は、制御ラックによりプランジャの回転角を変え、その有効行程を変えて行う。プランジャの頭部には傾斜みぞと中心穴があり、上昇して吸排口を閉じると圧送され、傾斜みぞが吸排口に達すると、余分な燃料は中心穴を通って吸排口に戻り、圧力が下がって噴射が終了する。噴射時期調整装置は、軸回転の遠心力を利用し、進角の状態は回転数によって自動的に変化する。
【００１６】
次に本実施形態の作用を説明する。
図３は行程を説明するためのグラフである。（Ａ）は燃焼室２内の温度（縦軸）と時間（横軸）との関係を示しており、（Ｂ）は行程（縦軸）と時間（横軸）との関係を示している。なお、時間は（Ａ）、（Ｂ）共に共通の尺度である。また、図３（Ａ）で上死点から右側の点線は従来のディーゼルエンジンの燃焼室内の温度を示している。上死点より左側は本発明も従来例も同じである。図３（Ｂ）では各矢印の上にそれぞれの行程の名称が記入されている。
【００１７】
図１、図３に示すように、ピストン３が下降するときに給気弁１が開いて、シリンダ２内にエアが充填される（給気行程）。その後ピストン３が上昇し（圧縮行程）、シリンダ２内の圧力が上昇するとともに、衝撃波管４内にもエアが充填される。このとき着火性が悪い（着火温度が高い）ガソリン（ガソリンの着火温度は４４０〜５１５℃）やＬＰＧなどの液体燃料をガソリン噴射口５から噴射し、衝撃波管４内に充填し予混合気を作る。次に水噴射口６から水を噴射する。水を噴射するのは、衝撃波管４内のガソリンの予混合気が着火性の高い（着火温度の低い）重油や灯油（灯油の着火温度は２２５℃）から引火しないようにする不活性ガスシールの役目をするためである。ピストンの上死点直前にディーゼル油噴射口７からディーゼル油を噴射し衝撃波管４の出口４ｂ付近にディーゼル油を充填する。なお、水噴射とディーゼル油噴射を同時にしてもよい。次に点火プラグ８を点火する。点火すると衝撃波管４内のガソリン予混合気は初め通常の火炎を生じるが、次第に加速されて衝撃波となりデトネーションに遷移する。
【００１８】
デトネーションによりディーゼル油のミストは２０００〜３０００ｍ／ｓの高速でディーゼルエンジンのシリンダ２内に噴射される。高速で噴射されるためシリンダ２内の空気の温度はディーゼル油の着火温度を越えていても火炎の吹き飛び現象により着火せず、燃料の速度が十分減速して吹き飛びが起こらない状態になってから着火して燃焼するが、そのときには空気と燃料は十分希薄に混合しておりシリンダ２内で希薄予混合燃焼が達成される。
【００１９】
以上を図４を用いてさらに詳しく説明する。
図４（Ａ）は本発明のディーゼルエンジンの衝撃波管４の出口４ｂからシリンダ２内に噴射した燃料の燃焼するまでの状態を示す図であり、（Ｂ）は従来のディーゼルエンジンで高速噴射した燃料が燃焼するまでの状態を示す図であり、（Ｃ）は噴射管出口４ｂまたはノズルからの距離（横軸）と燃料混合気体の平均速度（縦軸）との関係を示すグラフである。
【００２０】
図４（Ｂ）に示すように、従来のディーゼルエンジンでノズルから高速で噴射された燃料はシリンダ２内で高温高圧のエア１２を巻き込みつつ次第に減速し、所要の速度Ｖまで減速して燃料に火炎１１が生じる。所要の速度Ｖに減速するまでに巻き込んだエア１２の量は理論空燃比（通常１５程度）程度なので希薄予混合燃焼に至らず燃焼温度を低下することはできない。
【００２１】
一方、図４（Ａ）に示すように本発明のディーゼルエンジンで衝撃波管出口４ｂからの流速は従来のディーゼルエンジンの燃料噴射速度の数倍の高速なので、空気の巻き込みが促進される。その結果、火炎が形成可能な所要の速度Ｖ₀ まで減速するまでの距離が長く、したがって、それまでに巻き込んだエア１２の量が従来より多い。火炎面１１においては、燃料は十分空気により希薄になっており、シリンダ２内で希薄予混合燃焼が達成される。
【００２２】
希薄予混合燃焼により、シリンダ２内の最高温度は図３（Ａ）に実線で示すように、従来より大幅に低下し、ＮＯ_x の発生量は大幅に抑制される。また、シリンダ内では上死点近くで着火するため雰囲気ガスの温度が高く（４５０〜５００℃）未燃炭素の煤塵も少ない。
【００２３】
ディーゼル油の噴射量に対してガソリンの噴射量は数分の１でよい。たとえば、１シリンダ１サイクル当たりのディーゼル油の噴射量を３０〜５０ｇ／回とすれば、ガソリン噴射量は７〜８ｇ／回、水噴射量は１〜２ｇ／回でよい。
【００２４】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のディーゼルエンジンは燃焼室に衝撃波管を接続し、ディーゼル油を衝撃波管からのデトネーションによりきわめて高速で燃焼室内に噴射するので、着火するまでに多量の空気を巻き込むため、燃焼室内で希薄予混合燃焼が可能になり、低ＮＯ_x とともに未燃炭素の煤塵の発生量も大幅に抑制することができるなどの優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディーゼルエンジンの部分断面図である。
【図２】燃料噴射弁の部分断面斜視図である。
【図３】デトネーションによる噴射の行程を説明するグラフであり、（Ａ）は燃焼室の温度変化を示す図、（Ｂ）は行程を示す図である。
【図４】噴射した燃料の燃焼状態を示す図であり、（Ａ）は本発明のディーゼルエンジンの、（Ｂ）は従来のディーゼルエンジンの燃焼状態を示している。（Ｃ）は噴射速度と噴射口からの距離の関係を示すグラフである。
【図５】燃料ポンプの部分断面斜視図である。
【符号の説明】
２シリンダ（燃焼室）
４衝撃波管
５ガソリン噴射口
６水噴射口
７ディーゼル油噴射口
８点火プラグ
１０突起

Claims

ディーゼルエンジンの燃焼室に細長で外端が閉じた衝撃波管を接続し、該衝撃波管には外端に点火プラグを設け、その内側に着火温度の高いガソリンなどの燃料の噴射口を設け、さらにその内側に水の噴射口を設け、最も内側で衝撃波管出口付近に着火温度の低いディーゼル油などの燃料噴射口を設けたことを特徴とするディーゼルエンジン。
上記衝撃波管出口に衝撃波管から噴出してくる燃料と衝突して燃料を微細化する突起物を設けた請求項１記載のディーゼルエンジン。