JP4405403B2 - 燃料直噴式ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、シリンダに摺動自在に支持したピストンの頂面にシリンダヘッドに対向する凹状の燃焼室を形成し、シリンダヘッドに支持したインジェクタから前記燃焼室に向けてパイロット燃料噴射および主燃料噴射を行う燃料直噴式ディーゼルエンジンに関する。

かかる燃料直噴式ディーゼルエンジンは、例えば下記特許文献１により公知である。

この燃料直噴式ディーゼルエンジンは、ピストンの平坦な頂面の中央部ぶ凹状の燃焼室を形成したもので、シリンダヘッドの下面に設けたインジェクタから噴射される燃料が、主燃料噴射では凹状の燃焼室の側壁を指向し、主燃料噴射に続く副燃料噴射では前記燃焼室の上端を指向するようになっている。
特開２００１−２２７３４５号公報

ところで、この種の燃料直噴式ディーゼルエンジンでは、ピストンが上死点に達する手前でパイロット燃料噴射を行い、ピストンが上死点付近に達したときに主燃料噴射を開始するようになっている。このパイロット燃料噴射を行うことで、燃焼騒音を抑えるだけでなく、燃料噴射タイミングを遅延させたときやＥＧＲ（排気ガス再循環）を行ったときの主燃料噴射の燃焼を安定させる効果がある。

主燃料噴射の燃焼を安定させるには、
（１） パイロット燃料噴射により生成する過酸化物の量を増加させること
（２） パイロット燃料噴射による発熱量を増やしてシリンダ内温度を上昇させること
の二つの要件がある。

過酸化物の生成により主燃料噴射の燃焼が安定する理由は、次のように考えられる。即ち、燃料と空気との混合気が自己着火する際には、先ず比較的低温（７００°Ｋ〜８００°Ｋ）の状態から酸化が開始される（冷炎反応）。この冷炎反応が始まると、ＨＯ₂に代表される過酸化物が生成し、この過酸化物は少々時間をかけてＨ₂Ｏ₂に変化するが、その間の発熱量は大きなものではなく温度は僅かに上昇する。その温度が１０００°Ｋに達するとＨ₂Ｏ₂は二つのＨＯに分解し、このＨＯによって激しい燃焼が開始される。つまり、ＨＯ₂やＨ₂Ｏ₂のような過酸化物はＨＯの元になる物質であり、これが多いと主燃料噴射で生成した混合気の着火が促進される。従って主燃料噴射のタイミングを遅らせた場合に、膨張行程にはいってシリンダ内の温度が低下しても、主燃料噴射で生成した混合気を確実に着火して燃焼を安定させることができる。

またパイロット燃料噴射の燃料噴射量を増加させても、発熱量が増加して主燃料噴射で生成した混合気の着火が促進されるため、その燃焼を安定させることができる。しかしながら、過酸化物の量を増加させ、かつ発熱量を増加させるべく、パイロット燃料噴射の燃料噴射量を過剰に増加させると、発熱量が過大になってシリンダ内圧の上昇率が高くなり、騒音が増加したりＮＯｘの排出量が増加したりする問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、過酸化物の量を増加させるためにパイロット燃料噴射の燃料噴射量を増加させても、発熱量が過大になって騒音やＮＯｘの排出量が増加するのを防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、シリンダに摺動自在に支持したピストンの頂面にシリンダヘッドに対向する凹状の燃焼室を形成し、シリンダヘッドに支持したインジェクタから前記燃焼室に向けてパイロット燃料噴射および主燃料噴射を行う燃料直噴式ディーゼルエンジンにおいて、前記燃焼室は、ピストンの頂面の外周部を除く部分を浅く窪ました形状の上部燃焼室と、この上部燃焼室の中央部を更に深く窪ました形状の下部燃焼室とで構成されるとともに、前記上部燃焼室および前記下部燃焼室の壁面の境界は、前記シリンダの軸線に向かって突出する滑らかな曲面で構成され、前記パイロット燃料噴射される燃料を前記上部燃焼室の底面に浅い所定の角度で衝突させ、且つ前記主燃料噴射される燃料を上部燃焼室および下部燃焼室の前記壁面の境界に前記所定の角度よりも深い角度で衝突させることで、前記パイロット燃料噴射により生成する混合気の燃焼速度を、前記主燃料噴射により生成する混合気の燃焼速度よりも遅くしたことを特徴とする燃料直噴式ディーゼルエンジンが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記パイロット燃料噴射される燃料に混合する再進入空気の量を、前記主燃料噴射される燃料に混合する再進入空気の量よりも少なくしたことを特徴とする燃料直噴式ディーゼルエンジンが提案される。

請求項１の構成によれば、燃焼室を、ピストンの頂面の外周部を除く部分を浅く窪ました形状の上部燃焼室と、この上部燃焼室の中央部を更に深く窪ました形状の下部燃焼室とで構成し、更に、上部燃焼室および下部燃焼室の壁面の境界を、シリンダの軸線に向かって突出する滑らかな曲面で構成して、ピストンの頂面に設けた燃焼室に向けパイロット燃料噴射および主燃料噴射を行う際に、パイロット燃料噴射される燃料を上部燃焼室の底面に所定の浅い角度で衝突させることで、その燃料を上部燃焼室の底面上の限定された領域にとどめて混合する再進入空気の量を減少させ、また主燃料噴射される燃料を上部燃焼室および下部燃焼室の壁面の境界に前記所定の角度よりも深い角度で衝突させることで、広い範囲に跳ね返った燃料に混合する再進入空気の量を増加させて、パイロット燃料噴射により生成する混合気の燃焼速度を、主燃料噴射により生成する混合気の燃焼速度よりも遅くしたので、パイロット燃料噴射による過剰な発熱を抑制してシリンダ内圧の上昇率が高くなり過ぎないようにし、騒音やＮＯｘの排出量が増加するのを防止することができ、しかもパイロット燃料噴射に続く主燃料噴射では混合気の燃焼速度を速くして充分な出力を確保することができる。

請求項２の構成によれば、パイロット燃料噴射される燃料に混合する再進入空気の量を主燃料噴射される燃料に混合する再進入空気の量よりも少なくしたので、パイロット燃料噴射により生成する混合気の燃焼速度を遅くして過剰な発熱を抑制することができる。

図１〜図６は本発明の第１実施例を示すもので、図１はディーゼルエンジンの全体構成を示す図、図２はエンジンのシリンダ軸線に沿う縦断面図、図３は図２の３−３線矢視図、図４は燃料噴射タイミングを示すタイムチャート、図５はパイロット燃料噴射の作用説明図、図６は主燃料噴射の作用説明図である。

図１に示すように、直列４気筒のディーゼルエンジンＥは、クランクケース１１と、クランクケース１１の上部に一体に形成されたシリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の上部に結合されたシリンダヘッド１３と、シリンダブロック１２の下部に結合されたオイルパン１４とを備えており、クランクケース１１に回転自在に支持したクランクシャフト１５と、シリンダブロック１２の内部に形成したシリンダ１６に摺動自在に嵌合するピストン１７とが、コネクティングロッド１８を介して連接される。シリンダヘッド１３には吸気バルブ１９，１９および排気バルブ２０，２０が設けられており、これら吸気バルブ１９，１９および排気バルブ２０，２０はシリンダヘッド１３に設けられた１本のカムシャフト２１により、図示せぬロッカーアームを介して開閉駆動される。ピストン１７の頂面の中央部には燃焼室２２が凹設されており、この燃焼室２２の中心に臨むようにシリンダヘッド１３にインジェクタ２３が設けられる。

吸気バルブ１９，１９に連なる吸気ポート２４，２４に接続された吸気マニホールド２５は上下２層に形成されており、その上流側にサージタンク２６が設けられる。排気バルブ２０，２０に連なる排気ポート２７，２７には排気マニホールド２８が接続される。エアクリーナ２９から延びる吸気通路３０に吸入された空気は、ターボチャージャ３１の吸気側インペラ３２で加圧され、吸気通路３３を経て前記サージタンク２６に供給される。また排気マニホールド２８から出た排気ガスは、ターボチャージャ３１の排気側インペラ３４を駆動した後に、排気通路３５に設けた排気ガス浄化触媒装置３６を通過して外部に排出される。

燃料タンク３７の内部に設けた低圧ポンプ３８から供給された燃料は低圧フィードパイプ３９に設けたフィルター４０を経て高圧ポンプ４１に供給され、そこで加圧された燃料は高圧フィードパイプ４２を経てコモンレール４３に供給される。コモンレール４３に蓄圧された高圧の燃料は、４本の燃料噴射パイプ４４…を介して４個のインジェクタ２３に所定のタイミングで供給される。尚、符号４５は高圧ポンプ４１から余剰の燃料を燃料タンク３７に戻すリターンパイプである。吸気マニホールド２８にはＥＧＲバルブ５０が設けられており、排気ガスをＥＧＲガス通路４６を経てサージタンク２６の上流位置に戻すようになっている。

図２はエンジンＥのシリンダ軸線Ｌに沿う拡大縦断面図であって、シリンダブロック１２に形成したシリンダ１６に嵌合するピストン１７が上死点にあるときの状態を示している。吸気バルブ１９，１９および排気バルブ２０，２０は、そのステム１９ａ，１９ａ；２０ａ，２０ａをシリンダ軸線Ｌと平行に配置されており、かつ吸気バルブ１９，１９のバルブシート４７，４７と、排気バルブ２０，２０のバルブシート４８，４８とは、シリンダヘッド１３の下面を凹ませるように形成されている。従って、吸気バルブ１９，１９および排気バルブ２０，２０が図示した閉弁状態にあるとき、吸気バルブ１９，１９および排気バルブ２０，２０の弁体１９ｂ，１９ｂ；２０ｂ，２０ｂの下面の高さはシリンダヘッド１３の下面の高さに一致している。

これにより、ピストン１７が上死点に達しても、その頂面１７ａが吸気バルブ１９，１９および排気バルブ２０，２０の弁体１９ｂ，１９ｂ；２０ｂ，２０ｂの下面と干渉する虞がなくなるため、燃焼室２２を囲むピストン１７の環状の頂面１７ａはバルブリセスを備えていない。尚、ピストン１７が上死点にあるとき、シリンダヘッド１３の下面および各バルブ１９，１９；２０，２０の弁体１９ｂ，１９ｂ；２０ｂ，２０ｂの下面は、ピストン１７の頂面１７ａとの間にシリンダ軸線Ｌ方向の薄いクリアランス４９（図５および図６参照）を有している。

ピストン１７の頂面１７ａに形成される燃焼室２２は、上部燃焼室２２ａおよび下部燃焼室２２ｂから構成される。上部燃焼室２２ａはピストン１７の頂面１７ａの外周部を除く中央部を一段低く窪ました形状を持ち、その底面は平坦に形成される。下部燃焼室２２ｂは上部燃焼室２２ａの中央部を更に深く窪ましたもので、入口部の直径が内部の最大直径よりも小さい形状を有している。上部燃焼室２２ａと下部燃焼室２２ｂとの壁面の境界はシリンダ軸線Ｌに向かって突出する滑らかな曲面で構成される。

図４に示すように、インジェクタ２３はピストン１７が上死点（ＴＤＣ）付近に達したときに主燃料噴射を開始する以外に、圧縮行程の末期に主燃料噴射に伴う燃焼騒音の低減等を目的としたパイロット燃料噴射を行うとともに、膨張行程や排気行程でエミッションの改善を目的としたポスト燃料噴射を行うようになっている．
図３および図５から明らかなように、インジェクタ２３から噴射される燃料は斜め下方向を指向し、かつ円周方向に等間隔に離間した５つの方向を指向する。

図５に示すように、パイロット燃料噴射が行われるときにピストン１７は上死点の手前位置にあるため、インジェクタ２３から噴射された燃料はピストン１７の上部燃焼室２２ａの平坦な底面に所定の浅い角度θで衝突して霧化するが、上部燃焼室２２ａの底面とシリンダヘッド１３の下面との間には狭いクリアランス４９しか存在しないため、混合気は上部燃焼室２２ａの底面上の限定されたエリアだけに生成し、しかも上部燃焼室２２ａの底面に浅い角度θで衝突した燃料は強く飛散することがないため、燃料の飛沫に巻き込まれて混合する再進入空気の量も小さくなる。このパイロット燃料噴射に伴って混合気の冷炎反応が開始されるとＨＯ₂のような過酸化物が生成するが、そのときの温度は低温である。

パイロット燃料噴射に伴う混合気層は高温の空気層との境界において発火して高温反応をもたらすが、その高温反応は混合気層の表面だけで発生し、かつ放熱速度は非常に緩慢である。その理由は、混合気層が低温であり、しかもクリアランス４９が上下方向に狭い空間であって火炎の面積が小さいためである。従って、パイロット燃料噴射の燃料噴射量を増加させて充分な量の過酸化物を生成させながら急激な発熱を防止することができ、これによりシリンダ内圧の上昇率が高くならないようにして騒音やＮＯｘの排出量の増加を防止することができる。

上述したパイロット燃料噴射に続いて、図６に示す主燃料噴射が開始されるとき、ピストン１７は上死点付近にあるため、パイロット燃料噴射で上部燃焼室２２ａの底面に衝突していた燃料は、主燃料噴射では上部燃焼室２２ａおよび下部燃焼室２２ｂの壁面の境界の突出した部分に、前記パイロット燃料噴射される燃料が上部燃焼室２２ａの底面に衝突する前記所定の角度よりも深い角度、本実施例では略垂直に衝突して強く跳ね返り、細かく霧化して大量の空気と充分に混合する。つまり主燃料噴射における再進入空気の量はパイロット燃料噴射における再進入空気の量よりも多くなる。しかもパイロット燃料噴射により生成した過酸化物が熱で分解して発生した大量のＨＯが存在することで、主燃料噴射で生成した混合気の着火が促進されて高速の燃焼が行われ、高い出力を発生させることができる。

このように、パイロット燃料噴射および主燃料噴射における混合気の生成プロセスを、噴射された燃料が衝突する燃焼室２２の壁面の形状を異ならせることで変化させ、パイロット燃料噴射では生成する混合気の温度を低くし、空燃比をリッチにし、かつ再進入空気の量を減らして混合気の燃焼速度を遅くし、主燃料噴射では生成する混合気の温度を高くし、空燃比をリーンにし、かつ再進入空気の量を増やして混合気の燃焼速度を速くし、騒音やＮＯｘの発生を抑制しながらエンジンＥの出力を高めることができる。パイロット燃料噴射で生成する混合気の空燃比がリッチになるのは、再進入空気の量が少なく、かつ燃料が上部燃焼室２２ａの壁面に多く付着するために再進入空気と混合し難いからである。このことは、上部燃焼室２２ａの（表面積／体積）の比が、下部燃焼室２２ｂの（表面積／体積）の比よりも大きいことに起因している。これにより、壁面への放熱を促進して混合気の温度を低下させるという効果も発生する。尚、本実施例でいう燃焼速度とは、燃焼率（例えば、クランクアングル当たりの燃焼量）の増加割合（微分値）で定義される。

以上、本発明の第１実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、第１実施例のディーゼルエンジンＥは直列４気筒であるが、本発明はＶ型エンジンや気筒数の異なるエンジンに対しても適用することができる。

また燃焼室２２の形状は第１実施例のものに限定されず、図７に示す第２実施例のように上部燃焼室２２ａの形状を、径方向内側から径方向外側に向けて次第に深くなる円形の溝形状に構成しても良い。

ディーゼルエンジンの全体構成を示す図 エンジンのシリンダ軸線に沿う縦断面図 図２の３−３線矢視図 燃料噴射タイミングを示すタイムチャート パイロット燃料噴射の作用説明図 主燃料噴射の作用説明図 第２実施例に係る、前記図５に対応する図

１６ シリンダ
１７ ピストン
１７ａ 頂面
２２ 燃焼室
２２ａ 上部燃焼室
２２ｂ 下部燃焼室
２３ インジェクタ

Claims (2)

1. シリンダ（１６）に摺動自在に支持したピストン（１７）の頂面（１７ａ）にシリンダヘッド（１３）に対向する凹状の燃焼室（２２）を形成し、シリンダヘッド（１３）に支持したインジェクタ（２３）から前記燃焼室（２２）に向けてパイロット燃料噴射および主燃料噴射を行う燃料直噴式ディーゼルエンジンにおいて、
   前記燃焼室（２２）は、ピストン（１７）の頂面（１７ａ）の外周部を除く部分を浅く窪ました形状の上部燃焼室（２２ａ）と、この上部燃焼室（２２ａ）の中央部を更に深く窪ました形状の下部燃焼室（２２ｂ）とで構成されるとともに、前記上部燃焼室（２２ａ）および前記下部燃焼室（２２ｂ）の壁面の境界は、前記シリンダの軸線（Ｌ）に向かって突出する滑らかな曲面で構成され、
   前記パイロット燃料噴射される燃料を前記上部燃焼室（２２ａ）の底面に浅い所定の角度で衝突させ、且つ前記主燃料噴射される燃料を上部燃焼室（２２ａ）および下部燃焼室（２２ｂ）の前記壁面の境界に前記所定の角度よりも深い角度で衝突させることで、前記パイロット燃料噴射により生成する混合気の燃焼速度を、前記主燃料噴射により生成する混合気の燃焼速度よりも遅くしたことを特徴とする燃料直噴式ディーゼルエンジン。
2. 前記パイロット燃料噴射される燃料に混合する再進入空気の量を、前記主燃料噴射される燃料に混合する再進入空気の量よりも少なくしたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料直噴式ディーゼルエンジン。

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