JP4208322B2 - ディーゼルエンジンの始動補助装置 - Google Patents

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の始動補助装置、詳しくは直接噴射式ディーゼルエンジンに好適に使用されるグロープラグを用いた始動補助装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気の圧縮熱によって燃料に着火するディーゼルエンジンでは、寒冷時等におけるエンジンの始動性を良好にするために、例えば、グロープラグを用いた始動補助装置が使用されている。図５は、直接噴射式ディーゼルエンジンに適用される始動補助装置の一例を示すもので、エンジンの燃焼室３内に燃料噴射ノズル５の先端部が突出しており、その近傍に、グロープラグ６が設けてある。該グロープラグ６の先端部は、燃料噴射ノズル５から噴射される噴霧９に近接してその周囲の空気流を暖め、噴霧９の着火、燃焼を促進するようになっている。そして、この時、グロープラグ６の燃焼室３内への突出し量ｄを多くするほど始動性が良くなることが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、直接噴射式ディーゼルエンジンは、通常、燃焼室３内に、渦状の空気の流れ（以下、スワール流という）を形成し、グロープラグ６で暖めた空気を、このスワール流によって噴霧９と混合している。しかしながら、グロープラグ６の突出し量ｄが多いと、グロープラグ６が気流を妨げるために、噴霧９がスワール流によって攪拌されにくくなり、空気との混合が良好になされない。また、噴霧９がグロープラグ６に衝突して付着するために、グロープラグ６周辺の混合気濃度が増加して、酸素不足になってしまうおそれがある。
【０００４】
副室式ディーゼルエンジンでは、燃料が噴射される副室内のスワール流が直接噴射式に比べるとはるかに強いために、突出し量ｄが多くても上記のような問題は生じにくい。ところが、直接噴射式ディーゼルエンジンでは、始動性を良くするために突出し量ｄを多くすると、上述したように、混合が不十分となって空気利用率が低下し、また部分的に酸素不足となって、スモークや未燃炭化水素の排出が増加し、排気エミッションの悪化や、出力性能の低下をまねく、といった問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、良好な始動性を保持しつつ、排気エミッションを改善し、出力性能を向上させることが可能なディーゼルエンジンの始動補助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】
請求項１記載のディーゼルエンジンの始動補助装置は、ディーゼルエンジンの燃焼室内に配設される燃料噴射ノズルの近傍に、先端部が球面状の曲面をなすグロープラグを設け、エンジン始動時に、上記グロープラグを発熱させて上記燃焼室内に形成されるスワール流を暖め、上記燃料噴射ノズルから噴射される噴霧の蒸発、着火を補助するものである。そして、上記グロープラグを、上記スワール流に対して上記噴霧の上流側に近接させて配し、さらに、上記グロープラグ先端部の上記球面状の曲面を含む球体の中心を先端部中心とした時に、該先端部中心を通り上記噴霧の噴射方向と垂直な断面において、上記先端部中心と上記噴霧の中心を結ぶ線と、上記噴霧の中心を通り上記スワール流の流れ方向と垂直な線とのなす角度５５°〜７０°の範囲となるように、上記グロープラグを配置したことを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、上記グロープラグを上記噴霧の上流側に配したので、上記噴霧が上記グロープラグに衝突することがなく、スモークや未燃炭化水素の排出を低減できる。また、上記グロープラグと上記燃料噴霧が近接しているので、燃料の蒸発、着火が促進され始動性が向上する。さらに、上記グロープラグを上記噴霧に対し上記所定の角度範囲となるように配置することで、上記グロープラグが上記スワール流を遮ることによる影響を最小限として空気利用率を高め、しかも上記グロープラグによって暖められた空気を下流の上記噴霧に効率よく供給して始動性を確保できるようにした。よって、良好な始動性を確保しつつ、排気エミッションを改善し、出力性能を向上させることができる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、上記ディーゼルエンジンを直接噴射式ディーゼルエンジンとする。上記請求項１の構成による効果は、上記スワール流が比較的弱く、上記グロープラグが燃焼室内に突出することによる影響が大きい、直接噴射式ディーゼルエンジンに適用した場合に著しく、良好な始動性と、排気エミッション・出力性能の改善を両立させる効果が高い。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図２に本発明を適用した直接噴射式ディーゼルエンジンの始動補助装置の構成を示す。図中、エンジンシリンダ１内に配設したピストン２の上方には、シリンダヘッド４との間に、燃焼室３が形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室３内に燃料を噴射する噴射ノズル５と、エンジン始動時に通電、加熱されて始動を補助するグロープラグ６が取付けられている。上記燃焼室３には、シリンダヘッド４内に形成したインテークポート７を介して図示しない吸気路から空気が供給され、燃焼後の排気は、エキゾーストポート８を経て図示しない排気路より排出される。ここで、インテークポート７は、スワール流発生機構を備えた公知の構成で、例えば、燃焼室３の上面外周部に接線方向から接続するように屈曲させて、吸気流が燃焼室３の内周壁に沿って流入するように形成してあり、これにより上記燃焼室３内に旋回流（スワール流）が形成される。
【００１０】
上記噴射ノズル５は、図１（ａ）の如く、シリンダヘッド４に固定されるノズルボディ５１と、その内部に上下動可能に配設されるニードル弁５２を備え、上記燃焼室３内に突出するノズルボディ５１の先端部（下端部）には、複数の噴孔５３が放射状に設けられている。燃料は、図示しない燃料供給路よりノズルボディ５１とニードル弁５２の隙間を通って供給され、ニードル弁５２のリフト時に、上記複数の噴孔５３から噴射されて略円錐状の噴霧９となる。
【００１１】
グロープラグ６は、噴射ノズル５方向に傾斜させてシリンダヘッド４に取付けられるグロープラグボディ６１と、その内部に挿通保持される絶縁部６２を有している。絶縁部６２の一部は、グロープラグボディ６１から突出して上記燃焼室３内に露出しており、該露出部の内部に発熱体６３が埋設されている。また、露出部の先端部は半球状の曲面をなしている。発熱体６３の後端部（上端部）より延びる電流供給線６４は、絶縁部６２内を経て外部の電源に接続しており、エンジンの始動に先立ってグロープラグ６に通電して、発熱させることにより周囲の空気を暖めるようになしてある。
【００１２】
ここで、グロープラグ６の位置は、前述したように、始動性に対しては燃焼室３内への突出し量ｄが多いほどよいが、グロープラグ６が燃焼室３内のスワール流を妨げたり、噴霧９がグロープラグ６に衝突するような配置では、噴霧９の攪拌が乱されるため、空気利用率が低下し、排気エミッションや出力性能に悪影響を及ぼす。そこで、本発明では、始動性と、排気エミッション・出力性能とを両立させるための最適なグロープラグ６の配置を、噴霧９およびスワール流との関係から設定する。これについて次に説明する。
【００１３】
図１（ｂ）は、図１（ａ）、（ｃ）のＡ−Ａ断面で、グロープラグ６の先端部中心６５を通り噴霧９の噴射方向に垂直な断面の図、また、図１（ｃ）はグロープラグ６の先端部と噴霧９の位置関係を示す上方視図である。ここで、グロープラグ６の先端部中心６５とは、グロープラグ６先端部の半球状の曲面を含む球体の中心を示すものとする。まず、本発明では、グロープラグ１を、図１（ｂ）、（ｃ）に示すようにスワール流の流れ方向（図の左方から右方）に対して、噴霧９の上流側に配置する。グロープラグ１を噴霧９の上流側に配置させることで、噴霧９がグロープラグ１に衝突することがなくなり、グロープラグ１に噴霧９が付着してその周辺で酸素不足が生じることがない。例えば、図３（ａ）に示すように、グロープラグ１を噴霧９の下流側に配置するのは、スワール流によって流された噴霧９がグロープラグ１に衝突、付着して、その周辺の混合気濃度が増加し、酸素不足となって、スモークの発生や未燃炭化水素の排出の増加につながるため、望ましくない。
【００１４】
また、上流側に配置することで、グロープラグ６近傍の暖められた空気が、スワール流により下流側に流されて噴霧９に供給されるので、噴霧９の蒸発、着火が促進されて始動性が向上する。ただし、グロープラグ６が噴霧９の上流側にある場合でも、その位置によっては上流側とすることによる十分な効果が得られなかったり、気流を妨げてエミッションが悪化する場合がある。そこで、本発明では、これら双方を満足させるように、図１（ｂ）におけるグロープラグ６の先端部中心６５（先端部の球面状の曲面を含む球体の中心）と上記噴霧９の中心９１を結ぶ線と、上記噴霧の中心を通り上記スワール流の流れ方向と垂直な線とのなす角度ａ（以下、グロープラグ・噴霧間角度ａという）の最適値を設定する。具体的にはグロープラグ・噴霧間角度ａが、５５°〜７０°の範囲となるようにグロープラグ６を配置するのがよい。これについては後述する。
【００１５】
図１（ｂ）において、グロープラグ・噴霧間距離ｂ（噴霧断面９１外周円とグロープラグ６表面との最短距離）は、両者が衝突しない範囲で（ｂ≧０）、できるだけ小さくするのがよい。グロープラグ６を噴霧９の距離を小さくし、両者を近づけるほど、グロープラグ６の輻射熱を受けやすくなるため、噴霧９の蒸発、着火が促進され、始動性が向上する。また、グロープラグ６が噴霧９内に突出しないように配置されるので、噴霧９の流れをグロープラグ６が乱すことがなく、スモークや未燃炭化水素の排出を防止することができる。
【００１６】
次に、グロープラグ・噴霧間角度ａを、５５°〜７０°の範囲とすることによる効果を図３、４に基づいて説明する。図３（ｂ）のようにグロープラグ・噴霧間角度ａが小さい時、例えば０°であると、スワール流がグロープラグ６によって妨げられないので、スモークや未燃炭化水素の増加を防止することができる。ところが、グロープラグ６によって暖められたスワール流が噴霧９に供給されないので、効果的な伝熱がなされず、始動性は低下する。逆に、図３（ｃ）のようにグロープラグ・噴霧間角度ａが大きい時、例えば、９０°であると、グロープラグ６によってスワール流が妨げられるために、噴霧９の空気との攪拌が乱され、スモークや未燃炭化水素が増加して、エミッションの悪化をまねくことになる。
【００１７】
つまり、図４（ａ）においてグロープラグ６がスワール流を遮っている面積ｃ（図の重なり部分）で、噴霧９への伝熱（始動性）と噴霧９の攪拌（エミッション）への影響を評価することができ、その評価結果を図４（ｂ）に示した。また、グロープラグ・噴霧間角度ａが大きいほど、面積ｃが大きくなることから、図４（ｂ）では、グロープラグ・噴霧間角度ａを横軸とした。縦軸は改善度を示し、始動およびエミッションに対する改善度が最も大きい時を改善度１００％とした。図４（ｂ）に示されるように、グロープラグ・噴霧間角度ａ（すなわち面積ｃ）が大きいほど、暖められたスワール流があたる面積が増加するために、噴霧９への伝熱が大きくなり始動性が向上する（改善度が大きい）。また、グロープラグ・噴霧間角度ａ（すなわち面積ｃ）が小さいほど、グロープラグ６によるスワール流の乱れが小さいためにエミッションが向上する（改善度が大きい）。
【００１８】
そして、始動性、排気エミッション・出力性能が良好となる範囲を、改善度が４０〜６０％の範囲とすると、これに対応するグロープラグ・噴霧間角度ａは５５°〜７０°となる。なお、グロープラグ・噴霧間距離ｂはグロープラグ・噴霧間角度ａによらず一定（０ｍｍ）としてあり、この時、グロープラグ６から噴霧９が受ける輻射熱は最も多くなる（１００％）。
【００１９】
以上より、本発明のように、グロープラグ６を噴霧９の上流側に近接させて設け、かつグロープラグ・噴霧間角度ａが５５°〜７０°の範囲となるように配置することで、良好な始動性と、排気エミッション・出力性能とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すもので、（ａ）はディーゼルエンジンの始動補助装置の構成を示す概略断面図、（ｂ）はディーゼルエンジンの始動補助装置の要部断面図で、（ａ），（ｃ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）はグロープラグと噴霧の位置関係を表す上方視図である。
【図２】本発明を適用したディーゼルエンジンの構成を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）はグロープラグと噴霧の位置関係を示す断面図で、（ａ）はグロープラグが噴霧の下流に位置する場合、（ｂ）はグロープラグ・噴霧間角度が０°の場合、（ｃ）はグロープラグ・噴霧間角度が９０°の場合を示す図である。
【図４】（ａ）はグロープラグと噴霧の位置関係を示す断面図であり、（ｂ）はグロープラグ・噴霧間角度とその影響の度合を表す図である。
【図５】従来のディーゼルエンジンの始動補助装置の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ シリンダ
２ ピストン
３ 燃焼室
４ シリンダヘッド
５ 燃料噴射ノズル
６ グロープラグ
６５ 先端部中心
７ インテークポート
８ エキゾーストポート
９ 噴霧
９１ 噴霧中心

Claims (2)

1. ディーゼルエンジンの燃焼室内に配設される燃料噴射ノズルの近傍に、先端部が球面状の曲面をなすグロープラグを設け、エンジン始動時に上記グロープラグを発熱させて上記燃焼室内に形成されるスワール流を暖め、上記燃料噴射ノズルから噴射される噴霧の蒸発、着火を補助する始動補助装置であって、上記スワール流の流れ方向に対して、上記グロープラグを上記噴霧の上流側に近接させて配し、かつ上記グロープラグ先端部の上記球面状の曲面を含む球体の中心を先端部中心とした時に、該先端部中心を通り上記噴霧の噴射方向に垂直な断面において、上記先端部中心と上記噴霧の中心を結ぶ線と、上記噴霧の中心を通り上記スワール流の流れ方向と垂直な線とのなす角度が５５°〜７０°の範囲となるように、上記グロープラグを配置したことを特徴とするディーゼルエンジンの始動補助装置。
2. 上記ディーゼルエンジンが直接噴射式ディーゼルエンジンである請求項１記載のディーゼルエンジンの始動補助装置。

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