JP6051754B2

JP6051754B2 - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP6051754B2
Application number: JP2012225217A
Authority: JP
Inventors: 克哉西條
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-10-10
Also published as: JP2014077391A

Description

本発明は、燃料噴射の終了後に混合気が着火する予混合ディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンに関する。

予混合ディーゼル燃焼は、燃料噴射の終了後に混合気が着火するように、燃焼室内へのＥＧＲガス（排気再循環ガス）の導入などにより着火遅れを比較的長くして運転を行う燃焼方式である（例えば、特許文献１参照）。この予混合ディーゼル燃焼は、従来燃焼と比べて、混合気の予混合度が上がるため、スモークの排出が少なく、また、燃焼室内へのＥＧＲガスの導入によりＮＯｘ（窒素酸化物）の排出が少ない燃焼方式である。

特開２００９−１１４８８８号公報

その一方で、予混合ディーゼル燃焼は、混合気が一気に着火するため、急激な圧力上昇に起因して燃焼騒音の増大を招く。そのため、予混合ディーゼル燃焼を行う運転領域は、比較的低負荷の運転領域に限られるという欠点がある。

そこで、本発明の目的は、急激な圧力上昇に起因する燃焼騒音の増大を抑制することにより、予混合ディーゼル燃焼を行う運転領域を拡大することが可能なディーゼルエンジンを提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明に係るディーゼルエンジンは、燃料噴射の終了後に混合気が着火する予混合ディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンであって、複数の噴口を有し、前記複数の噴口から燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルにおける前記複数の噴口の内の一部の噴口から噴射される燃料噴霧の軌道上に水蒸気が存在するように水を前記燃焼室内に噴射する水噴射ノズルとを備えるものである。

前記燃料噴射ノズルが偶数個の噴口を有し、前記水噴射ノズルは、前記燃料噴射ノズルにおける前記偶数個の噴口の内の一個置きの噴口から噴射される燃料噴霧の軌道上に水蒸気が存在するように水を前記燃焼室内に噴射するものであっても良い。

本発明によれば、急激な圧力上昇に起因する燃焼騒音の増大を抑制することにより、予混合ディーゼル燃焼を行う運転領域を拡大することが可能なディーゼルエンジンを提供することができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの概略を示す構成図である。（ａ）は本実施形態に係るディーゼルエンジンにおける水噴射の状態を示す模式図であり、（ｂ）は本実施形態に係るディーゼルエンジンにおける燃料噴射の状態を示す模式図である。（ａ）はディーゼル燃焼容器における水噴射の状態を示す模式図であり、（ｂ）はディーゼル燃焼容器における燃料噴射の状態を示す模式図である。ディーゼル燃焼容器を用いた予混合ディーゼル燃焼の数値解析結果（筒内圧及び熱発生率）を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示すように、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、シリンダ（気筒）２、シリンダヘッド３、ピストン４、吸気ポート５、排気ポート６、吸気弁７、排気弁８、図示しないＥＧＲ装置（排気再循環装置）、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）９、燃料噴射ノズル１０、水噴射ノズル１１等から構成される。シリンダ２とシリンダヘッド３とピストン４とで区画された空間に燃焼室１２が形成され、燃焼室１２内に燃料噴射ノズル１０から燃料が直接噴射されると共に、燃焼室１２内に水噴射ノズル１１から水が直接噴射される。また、吸気ポート５には吸気管１３が接続され、排気ポート６には排気管１４が接続される。

ＥＣＵ９は、各種センサ類からディーゼルエンジン１の運転状態を読み取り、読み取ったディーゼルエンジン１の運転状態に基づき、ＥＧＲ装置のＥＧＲ弁、燃料噴射ノズル１０及び水噴射ノズル１１等を制御する。各種センサ類としては、エンジン回転を検出するエンジン回転センサ１５、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１６等が含まれ、それら各種センサ類の検出値がＥＣＵ９に入力される。

燃料噴射ノズル１０は、シリンダヘッド３の中心部に、シリンダ２の中心軸線に対して同軸上に配設されている。燃料噴射ノズル１０は、複数で且つ偶数個の噴口１８（本実施形態では、８個の噴口）を有し、８個の噴口１８から燃料を燃焼室１２内（ピストン４のキャビティ１７内）に噴射する（図２（ｂ）参照）。また、燃料噴射ノズル１０にはコモンレールを介してサプライポンプ（図示せず）が接続されており、燃料噴射ノズル１０は、サプライポンプにより昇圧されて供給される高圧の燃料を燃焼室１２内に噴射するようになっている。

燃料噴射ノズル１０の噴口１８は、燃料噴射ノズル１０の先端部（下端部）に周方向に等間隔で配設され、且つ、ピストン４の圧縮上死点前に噴射された燃料（燃料噴霧）がピストン４のキャビティ１７内に到達するようにシリンダ２の中心軸線に対する噴射角度等が設定されている。

水噴射ノズル１１は、シリンダヘッド３に、燃料噴射ノズル１０の両側に位置させて一対（二個）配設されている。水噴射ノズル１１は、複数の噴口（本実施形態では、２個の噴口）を有し、２個の噴口１９から水を燃焼室１２内（ピストン４のキャビティ１７内）に噴射する（図２（ａ）参照）。また、水噴射ノズル１１にはポンプ（図示せず）が接続されており、水噴射ノズル１１は、ポンプにより昇圧されて供給される比較的高圧の水を燃焼室１２内に噴射するようになっている。

水噴射ノズル１１の噴口１９は、水噴射ノズル１１の先端部（下端部）に周方向に間隔を隔てて配設され、且つ、ピストン４の圧縮上死点前に噴射された水（水蒸気）が燃料噴射ノズル１０の噴口１８から噴射される燃料噴霧の軌道上を通ってピストン４のキャビティ１７内に到達するようにシリンダ２の中心軸線に対する噴射角度等が設定されている。また、水噴射ノズル１１の噴口１９は、燃料噴射ノズル１０における８個の噴口１８の内の一個置きの噴口１８から噴射される燃料噴霧の軌道上に水蒸気が存在するようにシリンダ２の中心軸線に対する噴射角度等が設定されている。水噴射ノズル１１の各噴口１９から噴射される水の噴射量は、水噴射が行われる燃料噴霧軌道の混合気の着火遅れを水噴射を行わない場合に比べて長くすることができる程度の少量で良く、例えば燃料噴射ノズル１０の各噴口１８から噴射される燃料の噴射量の１０〜１５％程度とされる。

本実施形態では、燃料噴射の終了後に混合気が着火する予混合ディーゼル燃焼を行う際に、図２（ａ）に示すように、燃料噴射に先立ち、燃料噴射ノズル１０における８個の噴口１８の内の４個の噴口１８（つまり、半分の噴口１８）から噴射される燃料噴霧の軌道上に水蒸気が存在するように水噴射ノズル１１により水噴射を行い、図２（ｂ）に示すように、水噴射ノズル１１による水噴射の後に燃料噴射ノズル１０により燃料噴射を行う。水噴射ノズル１１により噴射された水が気化して生じる水蒸気が燃焼室１２内に均一に拡散してしまう前に燃料噴射ノズル１０による燃料噴射を行う必要があり、水噴射ノズル１１による水噴射は燃料噴射ノズル１０による燃料噴射の直前に行うことが好ましい。但し、燃料噴射ノズル１０の噴口１８から噴射されて水噴射が行われない燃料噴霧の軌道と、水噴射ノズル１１の噴口１９から噴射される水（水蒸気）の軌道との干渉が生じないようであれば、水噴射ノズル１１による水噴射を燃料噴射ノズル１０による燃料噴射と同時に行っても良い。

また、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、燃料噴射ノズル１０における８個の噴口１８の内の一個置きの噴口１８から噴射される燃料噴霧の軌道上に水蒸気が存在するように水噴射ノズル１１により水を燃焼室内に噴射する。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

本発明の概念を、噴射ノズル（８噴口）を有するディーゼル燃焼容器（定容燃焼容器）を例に説明する。

この定容燃焼容器においては、図３（ａ）に示すように燃料噴射に先立ち噴射ノズルにより水噴射を少量行い、その水噴射の後（０．００１秒後、クランク角では６ｄｅｇ後）に図３（ｂ）に示すように噴射ノズルにより燃料噴射を行う。

図４には、定容燃焼容器（７５．４ｃｃ、８５０Ｋ、５ＭＰａ、酸素濃度１５％）において、噴射ノズルにより４噴口分だけ水噴射（２．４ｍｇ）を行った後に噴射ノズルにより８噴口で燃料噴射（３７．５ｍｇ）を行った場合（「水噴射，４噴口」）の、予混合ディーゼル燃焼の数値解析結果（筒内圧及び熱発生率）を示す。

図４には、水噴射を行わずに噴射ノズルにより８噴口で燃料噴射（３７．５ｍｇ）を行った場合（「水噴射無」）の予混合ディーゼル燃焼の数値解析結果と、噴射ノズルにより８噴口で水噴射（４．８ｍｇ）を行った後に噴射ノズルにより８噴口で燃料噴射（３７．５ｍｇ）を行った場合（「水噴射，８噴口」）の予混合ディーゼルの数値解析結果も合わせて示す。

図４から、４噴口分だけ水噴射を行った場合及び８噴口で水噴射を行った場合に、水噴射を行わない場合に比べて混合気の着火遅れが長くなることが分かる。これは、水噴射を行うと、水の気化のために混合気の温度が低下し、これを起因として着火遅れが長くなるためである。

熱発生率のピークを見てみると、水噴射を行わない場合と、８噴口で水噴射を行った場合とでは値がほとんど変わらない。一方、４噴口分だけ水噴射を行った場合には、水噴射を行わなかった場合及び８噴口で水噴射を行った場合と比べて熱発生率のピークの値が約２２％程度低下していることが分かる。これは、水噴射が行われる燃料噴霧軌道の混合気と、水噴射が行われない燃料噴霧軌道の混合気との間に温度差が生じ、これを起因とした着火遅れの位相差が混合気間に生じるためである。着火遅れの位相差が混合気間に生じることで、熱発生率のピークの値が低下し、予混合ディーゼル燃焼が緩慢化される。

この定容燃焼容器における予混合ディーゼル燃焼に倣い、実際のディーゼルエンジン１において図２に示すように水噴射と燃料噴射とを組み合わせることで、予混合ディーゼル燃焼の緩慢化が期待できる。

ここで、本実施形態では、燃料噴射の終了後に混合気が着火する予混合ディーゼル燃焼を行う際に、燃料噴射に先立ち、燃料噴射ノズル１０における８個の噴口の内の４個の噴口（つまり、半分の噴口）から噴射される燃料噴霧の軌道上に水蒸気が存在するように水噴射ノズル１１により水噴射を行い、その水噴射の後に燃料噴射ノズル１０により燃料噴射を行う。

このようにすると、水噴射が行われる燃料噴霧軌道の混合気と、水噴射が行われない燃料噴霧軌道の混合気との間に温度差が生じ、これを起因とした着火遅れの位相差が混合気間に生じる。そして、着火遅れの位相差が混合気間に生じることで、予混合ディーゼル燃焼が緩慢化される。この予混合ディーゼル燃焼の緩慢化により、急激な圧力上昇に起因する燃焼騒音の増大を抑制しつつ、予混合ディーゼル燃焼が緩慢化した分だけ投入熱量を増加させることができて、ひいては負荷の向上、即ち予混合ディーゼル燃焼を行う運転領域の拡大につながる。

また、本実施形態では、燃料噴射ノズル１０における８個の噴口の内の一個置きの噴口から噴射される燃料噴霧の軌道上に水蒸気が存在するように水噴射ノズル１１により水を燃焼室１２内に噴射する。これは、図２（ｂ）に示すように、水噴射が行われる燃料噴霧軌道の混合気と、水噴射が行われない燃料噴霧軌道の混合気とを燃焼室１２内にバランス良く交互に配置することで、予混合ディーゼル燃焼全体における燃焼のバラツキを最小限に抑制するためである。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上述の実施形態では、燃料噴射ノズルは８個の噴口を有するとしたがこれには限定はされず、例えば、燃料噴射ノズルが１２個の噴口を有するものであっても良い。燃料噴射ノズルが１２個の噴口を有する場合は、水噴射ノズルの噴口を６個（半分）とすることが好ましい。

また、水噴射ノズルの本数及び配置、並びに各水噴射ノズルに設ける噴口の数及び位置等は、上述の実施形態には限定はされない。さらに、上述の実施形態では、燃料噴射ノズルと水噴射ノズルとが別体として配設されているが、燃料噴射ノズルと水噴射ノズルとが一体として配設されていても良い。燃料噴射ノズルと水噴射ノズルとが一体として配設される場合、さらに、噴射ノズルに燃料噴射と水噴射との切替機構を設けて、燃料噴射を行う噴口と水噴射を行う噴口とを同一の噴口にしても良い。

１ディーゼルエンジン
１０燃料噴射ノズル
１１水噴射ノズル
１２燃焼室
１８燃料噴射ノズルの噴口

Claims

燃料噴射の終了後に混合気が着火する予混合ディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンであって、
偶数個の噴口を有し、前記偶数個の噴口から燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射ノズルと、
前記燃料噴射ノズルにおける前記偶数個の噴口の内の半分の噴口から噴射される燃料噴霧の軌道上に水蒸気が存在するように水を前記燃焼室内に噴射する水噴射ノズルとを備えることを特徴とするディーゼルエンジン。
前記水噴射ノズルは、前記燃料噴射ノズルにおける前記偶数個の噴口の内の一個置きの噴口から噴射される燃料噴霧の軌道上に水蒸気が存在するように水を前記燃焼室内に噴射する
請求項１に記載のディーゼルエンジン。