JP7185302B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、シリンダヘッドに設けられた副燃焼室（副室ともいう）内に燃料を噴射する副室式のディーゼルエンジンに関する。

中大型のディーゼルエンジンでは、燃焼方式として、直噴式（ＤＩ燃焼方式）が、高圧燃料噴射のコモンレールシステム（ＣＲＳ）に組み合わされている。高圧燃料噴射のコモンレール式ディーゼルエンジンでは、燃料を多段噴射することによって、騒音を低減している。

特許文献１には、副室式のディーゼルエンジンが開示されている。副室式のディーゼルエンジンは、直噴式のディーゼルエンジンに比べて、安定した燃焼状態が容易に得られる。副室式のディーゼルエンジンは、主燃焼室と、主燃焼室に対して偏心した箇所に設けられた副燃焼室と、を有し、例えば小型の産業用ディーゼルエンジンとして用いられている。主燃焼室と副燃焼室とは、噴孔を通して互いにつながっている。燃焼気流は、副燃焼室から噴孔を通じて主燃焼室内へ噴出される。副室式のディーゼルエンジンでは、ピストン天井壁に形成されたリセスの形状を見直すことにより、ＰＭ（粒子状物質）の発生が抑制されている。

特開２０１９－１１３００８号公報

ところで、小型の産業用のディーゼルエンジン、例えばボア径が７５ｍｍ以下の小ボア径の小型のディーゼルエンジンでは、高圧で燃料の多段噴射を行うと、燃料噴霧の燃焼室壁面への衝突、すなわちペネトレーションが発生する。このため、燃料噴射と吸入空気との混合が不完全になり、燃焼悪化により黒煙の増大や燃費の悪化等が生じる。そのため、小型の産業用のディーゼルエンジンについては、燃料の多段噴射を用いて騒音の低減をすることが困難であった。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、黒煙の発生および燃費の悪化を抑制し、多段噴射を行うことにより騒音の低減を図ることが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。

前記課題は、主燃焼室と、前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられた副燃焼室と、が互いに通じているディーゼルエンジンであって、中央部に配置された大径の孔と、前記大径の孔の両側の位置に配置され前記大径の孔の径よりも小さい径を有する小径の孔と、を有する燃料噴射ノズルと、前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通させる噴口であって、主噴口と、前記主噴口の両側の位置に配置される副噴口と、前記副噴口の両側の位置に配置される補助噴口と、を含む前記噴口を有する口金と、を備え、吸気工程の下死点を挟んでシリンダ内圧が１０ＭＰａ以下となる範囲の前記吸気工程で、燃料のパイロット噴射が、前記燃料噴射ノズルから前記副燃焼室を経て前記口金に向けて行われることを特徴とする本発明に係るディーゼルエンジンにより解決される。

本発明に係るディーゼルエンジンによれば、シリンダ内圧が１０ＭＰａ以下の低い状態で燃料のパイロット噴射が行われるので、シリンダの主燃焼室と連通している副燃焼室の内圧も低い。そのため、燃料噴霧が副燃焼室の内壁面に衝突しにくく、噴射された燃料が副燃焼室の内壁面に付着しにくい。従って、燃焼を改善し、黒煙の発生および燃費の悪化を抑制することができる。また、燃料のパイロット噴射（先行噴射）が、メイン噴射（主噴射）に先立って、副燃焼室において行われる。そのため、メイン噴射前に副燃焼室と主燃焼室とを含む燃焼室が高温になる。これにより、メイン噴射時に噴射された燃料が燃焼し易くなり、メイン噴射時に噴射された燃料が副燃焼室の内壁面に付着することを抑制することができる。従って、低圧の燃料の多段噴射が可能であり、騒音の低減を図ることができる。これにより、黒煙の発生および燃費の悪化を抑制し、多段噴射を行うことにより騒音の低減を図ることができる。

本発明に係るディーゼルエンジンにおいて、好ましくは、前記燃料の前記パイロット噴射は、前記燃料噴射ノズルの前記大径の孔のみから行われることを特徴とする。
本発明に係るディーゼルエンジンによれば、低圧の燃料のパイロット噴射は、大径の孔のみから行われる。これにより、低圧の燃料噴霧を副燃焼室に対して円滑に行うことができるとともに、パイロット噴射時に噴射された燃料が副燃焼室の内壁面に付着することをより一層抑制することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンにおいて、好ましくは、前記パイロット噴射のときの前記シリンダ内圧よりも高い前記シリンダ内圧の状態で、前記燃料のメイン噴射がさらに行われ、前記燃料の前記メイン噴射は、前記燃料噴射ノズルの前記大径の孔と、前記燃料噴射ノズルの前記小径の孔と、の両方から行われることを特徴とする。
本発明に係るディーゼルエンジンによれば、高圧の燃料のメイン噴射は、燃料噴射ノズルの大径の孔と、燃料噴射ノズルの小径の孔と、の両方から行われる。これにより、大径の孔と、小径の孔と、の両方を用いて、高圧の燃料噴霧を副燃焼室に対して効率よく円滑に行うことができる。

本発明に係るディーゼルエンジンにおいて、好ましくは、前記燃料の前記メイン噴射において、前記小径の孔からの前記燃料の噴射は、前記口金の前記補助噴口へ向けて行われることを特徴とする。
本発明に係るディーゼルエンジンによれば、メイン噴射時の副燃焼室におけるペネトレーションの発生、すなわちメイン噴射時に噴射された燃料が副燃焼室の内壁面に衝突することを抑制することができる。

本発明によれば、黒煙の発生および燃費の悪化を抑制し、多段噴射を行うことにより騒音の低減を図ることができるディーゼルエンジンを提供することができる。

本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの主燃焼室と副燃焼室との付近を表す断面図である。 本実施形態の副燃焼室の近傍を拡大して表した拡大断面図である。 本実施形態の燃料噴射ノズルの噴射部の構造例を示す図である。 本実施形態の口金の構造例を示す底面図である。 本実施形態に係るディーゼルエンジンのクランク角に対するパイロット噴射とメイン噴射との圧力の変化例を示すグラフである。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（ディーゼルエンジン１の構造例）
図１は、本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの主燃焼室と副燃焼室との付近を表す断面図である。
図１に示すディーゼルエンジン１は、いわゆる副室式のディーゼルエンジンであり、主燃焼室１０と副燃焼室２０とを有する。図１に示すディーゼルエンジン１は、Ｅ－ＴＶＣＳ（渦室流式）燃焼方式のディーゼルエンジンともいう。ディーゼルエンジン１は、例えばボア径が７５ｍｍ以下の小型ＩＤＩ（Indirect Injection）燃焼式のディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジン１は、例えば建設機械、農業機械、芝刈り機等に搭載される。但し、ディーゼルエンジン１が搭載される機器の種類は、特に限定されるわけではない。

ディーゼルエンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダヘッド３と、を有している。シリンダブロック２の内部には、シリンダ４が設けられている。ピストン５は、シリンダ４内に配置されていて、シリンダ中心軸Ｐに沿って往復移動可能である。シリンダ４は、上部において主燃焼室１０を有する。シリンダヘッド３は、シリンダブロック２の上に組付けられている。シリンダヘッド３の内部には、副燃焼室２０が設けられている。副燃焼室２０は、副室、渦流室、あるいは渦室などともいう。

図１に示すように、燃料噴射ノズル３０は、シリンダヘッド３に取り付けられている。燃料噴射ノズル３０の噴射部３１は、副燃焼室２０の内部に臨むようにして配置され、上方から斜め下方に向けて副燃焼室２０の内部空間に露出している。シリンダ４内の主燃焼室１０は、口金５０を介して副燃焼室２０に接続されている。口金５０は、燃焼気流Ｇが通る多噴口４０を有する。本実施形態の多噴口４０は、本発明の「噴口」の一例である。主燃焼室１０は、口金５０の多噴口４０を通じて副燃焼室２０に連通されている。多噴口４０は、主燃焼室１０に対して偏心した箇所に設けられている。多噴口４０は、例えば副燃焼室２０の内周面のほぼ接線方向に沿って、斜め下方向に向けて形成されている。

（副燃焼室２０の構造例）
図２は、本実施形態の副燃焼室の近傍を拡大して表した拡大断面図である。
図２に示すように、副燃焼室２０の内部空間は、縦方向の断面で見てほぼ楕円形あるいは円形状である。装着孔４８は、シリンダヘッド３において、シリンダ中心軸Ｐからシリンダ周壁側へ偏心した位置に形成されている。口金５０は、装着孔４８に収容された状態で保持されている。口金５０は、チャンバなどとも呼ばれ、副燃焼室２０の内部空間の下半分の部分を形成している。装着孔４８は、シリンダヘッド底面６Ａ側から燃料噴射ノズル３０側に向かって順に、大径の開口部５６と、小径の胴部収容部５７と、を有する。大径の開口部５６には、口金５０の底部５９が収容されている。胴部収容部５７には、口金５０の胴部６０が収容されている。なお、副燃焼室２０に配置されるグロープラグの図示は省略している。

図２に示す口金５０は、円柱状の胴部６０と底部５９とを有する段付きの円柱状の金具である。底部５９の外径は、胴部６０の外径よりも大きい。胴部６０は、副燃焼室２０の内部空間の下半分の部分を形成するための略半球状の凹部６１を有する。底部５９は、多噴口４０を有している。多噴口４０は、凹部６１の内底部に形成されており、凹部６１の内周面６１Ａと、主燃焼室１０と、をつないでいる。すなわち、多噴口４０は、主燃焼室１０と副燃焼室２０とを連通している。口金５０がシリンダヘッド３に組付けられた状態では、空洞部５８の内周面５８Ａで形成される副燃焼室２０の内部空間の上半分の部分と、凹部６１の内周面６１Ａで形成される副燃焼室２０の内部空間の下半分の部分と、がほぼ面一になって連続している。このように、副燃焼室２０の内部空間は、空洞部５８と凹部６１とにより形成されている。

図２に示すように、副燃焼室２０は、主燃焼室１０に対して偏心した箇所に設けられている。主燃焼室１０と副燃焼室２０とは、燃焼気流Ｇが主燃焼室１０と副燃焼室２０との間を多噴口４０を通して通過可能なように互いにつながっている。副燃焼室２０内の燃焼気流Ｇは、副燃焼室２０から多噴口４０を通じて主燃焼室１０内へ噴出される。ここで、多噴口４０は、主燃焼室１０の中央側へ向けて斜めに傾けて形成されている。そのため、多噴口４０から噴出される燃焼気流Ｇは、例えば上死点付近にあるピストン５の頂面５Ａに対して、斜めに吹き付けられる。

（燃料噴射ノズル３０の噴射部３１）
次に、図２に示す燃料噴射ノズル３０の噴射部３１の構成例を、図３を参照して説明する。
図３は、本実施形態の燃料噴射ノズルの噴射部の構造例を示す図である。
図３に示す燃料噴射ノズル３０の噴射部３１は、中央部に大径の孔３２と、大径の孔３２の両側の位置に配置される小径の孔３３，３４と、を有する。大径の孔３２の直径と、小径の孔３３，３４の直径と、の比の範囲は、好ましくは約１.１～２程度である。なお、噴射部３１に設けられた孔の数は、３つには限定されず、４つ以上であってもよい。

（口金５０）
さらに、図２に示す口金５０の構造例を、図４を参照して説明する。
図４は、本実施形態の口金の構造例を示す底面図である。
口金５０は、図２に示す多噴口４０を有する。口金５０の多噴口４０は、主噴口５１と、主噴口５１の両側の位置に配置される副噴口５２，５２と、副噴口５２，５２の両側の位置に配置される補助噴口５３，５３と、を有する。多噴口４０は、図１に示す副燃焼室２０の内周面のほぼ接線方向に沿って、図１に示すシリンダ中心軸Ｐに対して傾斜して形成されている。ピストン５が主燃焼室１０を圧縮するときに、副燃焼室２０内に入る空気が副燃焼室２０内で渦流を発生させる。

主噴口５１は、口金５０の底部５９の略中央に形成されている。副噴口５２，５２は、主噴口５１の開口面積よりも小さい開口面積を有し、主噴口５１の左右の位置において主噴口５１に連続して形成されている。補助噴口５３，５３は、副噴口５２，５２の開口面積よりも小さい開口面積を有し、副噴口５２，５２の左右の位置において、主噴口５１と副噴口５２，５２から離れて形成されている。主噴口５１と副噴口５２，５２と補助噴口５３，５３とは、副燃焼室２０から主燃焼室１０の中央部に向かうように、すなわち図２において燃焼気流Ｇで示すように、傾斜して形成されている。

（ディーゼルエンジン１における多段噴射の動作例）
次に、本実施形態に係るディーゼルエンジン１における多段噴射の動作例を、図５を参照しながら説明する。
図５は、本実施形態に係るディーゼルエンジンのクランク角に対するパイロット噴射とメイン噴射との圧力の変化例を示すグラフである。
燃料の多段噴射は、低圧のパイロット噴射１００と、高圧のメイン噴射２００と、を含む。図５に表したグラフは、ピストンの下死点Ｔ１においてパイロット噴射１００が行われ、上死点Ｔ２においてメイン噴射２００が行われる様子を示している。

＜燃料のパイロット噴射１００＞
まず、燃料のパイロット噴射１００について、説明する。燃料のパイロット噴射１００では、吸気工程の下死点Ｔ１を挟んでシリンダ内圧が１０ＭＰａ以下となる範囲の吸気工程において、図３に示す燃料噴射ノズル３０の噴射部３１の大径の孔３２のみから図２に示す燃焼気流Ｇの方向に燃料の噴射が行われる。すなわち、燃料噴射ノズル３０は、パイロット噴射１００において１０ＭＰａ以下の低圧噴射を行う。パイロット噴射１００による燃料噴霧は、口金５０の主噴口５１を円滑に通過して図２に示すシリンダ４内へ入る。

パイロット噴射１００では、シリンダ４内への燃料噴射が大気圧以下で行われるので、燃焼噴霧がシリンダ４内の主燃焼室１０に円滑に広がる。これにより、ペネトレーションの発生が抑制され、燃料噴霧と吸入空気との混合が促進される。すなわち、図１に示すシリンダ４の内圧が１０ＭＰａ以下の低い状態でパイロット噴射１００が行われるので、シリンダ４の主燃焼室１０と連通している副燃焼室２０の内圧も低い。このため、燃料噴霧が、副燃焼室２０の内壁面に衝突しにくい。そのため、燃料が副燃焼室２０の内壁面に付着しにくい。従って、燃焼を改善し、黒煙の発生および燃費の悪化を抑制することができる。

＜燃料のメイン噴射２００＞
次に、燃料のメイン噴射２００について、説明する。上述した燃料のパイロット噴射１００では、シリンダ４の内圧が１０ＭＰａ以下の低い状態で、図３に示す燃料噴射ノズル３０の噴射部３１の大径の孔３２のみから燃料の噴射が行われる。これに対して、燃料のメイン噴射２００では、図１のピストン５が図５に示す上死点Ｔ２に来たときに、図３に示す燃料噴射ノズル３０の噴射部３１の全部の孔から燃料の噴射が行われる。すなわち、燃料のメイン噴射２００では、ピストン５が上死点Ｔ２に来たときの高圧の状態において、図３に示す燃料噴射ノズル３０の噴射部３１の大径の孔３２と小径の孔３３，３４との全部の孔から副燃焼室２０に向かって燃料の噴射が行われる。このように、燃料噴射ノズル３０は、パイロット噴射１００のときのシリンダ内圧よりも高いシリンダ圧力の高圧噴射をメイン噴射２００において行う。この際に、小径の孔３３，３４からの燃料噴射は、口金５０の補助噴口５３，５３に向かうように、すなわち図２に示す燃料噴霧Ｘの方向に向かうように行われる。これにより、ペネトレーションの発生、すなわち燃料噴霧が副燃焼室２０の内壁面に衝突することを抑制することができる。

本実施形態に係るディーゼルエンジン１によれば、シリンダ４の内圧が１０ＭＰａ以下の低い状態で燃料のパイロット噴射１００が行われるので、シリンダ４の主燃焼室１０と連通している副燃焼室２０の内圧も低い。そのため、燃料噴霧が副燃焼室２０の内壁面に衝突しにくく、噴射された燃料が副燃焼室２０の内壁面に付着しにくい。従って、燃焼を改善し、黒煙の発生および燃費の悪化を抑制することができる。また、燃料のパイロット噴射（先行噴射）１００が、メイン噴射（主噴射）２００に先立って、副燃焼室２０において行われる。そのため、メイン噴射２００前に副燃焼室２０と主燃焼室１０とを含む燃焼室が高温になる。これにより、メイン噴射２００時に噴射された燃料が燃焼し易くなり、メイン噴射２００時に噴射された燃料が副燃焼室２０の内壁面に付着することを抑制することができる。従って、低圧の燃料の多段噴射が可能であり、騒音の低減を図ることができる。これにより、黒煙の発生および燃費の悪化を抑制し、多段噴射を行うことにより騒音の低減を図ることができる。

また、低圧の燃料のパイロット噴射１００は、燃料噴射ノズル３０の大径の孔３２のみから行われる。これにより、低圧の燃料噴霧を副燃焼室２０に対して円滑に行うことができるとともに、パイロット噴射１００時に噴射された燃料が副燃焼室２０の内壁面に付着することをより一層抑制することができる。

また、高圧の燃料のメイン噴射２００は、燃料噴射ノズル３０の大径の孔３２と、燃料噴射ノズル３０の小径の孔３３，３４と、の両方から行われる。これにより、大径の孔３２と、小径の孔３３，３４と、の両方を用いて、高圧の燃料噴霧を副燃焼室２０に対して効率よく円滑に行うことができる。

また、メイン噴射２００において、小径の孔３３，３４からの燃料噴射は、口金５０の補助噴口５３，５３に向けて行われる。これにより、ペネトレーションの発生、すなわち燃料噴霧が副燃焼室２０の内壁面に衝突することを抑制することができる。

さらに、ディーゼルエンジン１の燃料噴射ポンプの駆動損失を低減することができ、燃費改善と、騒音および振動の低減と、を図ることができる。また、排気ガスのクリーン化を安価に実現できるとともに、ＣＯ_２の排出量の少ないディーゼルエンジン１を提供することができる。これにより、本発明に係るディーゼルエンジン１は、欧州ミニカーＥｕｒｏ５規制に対する適合が可能になるポテンシャルを有する。また、シリンダ４に付着する燃料の量を低減することができ、燃料の希釈化を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。例えば、図３に示す燃料噴射ノズル３０の噴射部３１の大径の孔３２と小径の孔３３，３４との配置位置、設定数および形状は、図示例に限定されるわけではない。また、図４に示す口金５０の多噴口４０の主噴口５１と、副噴口５２，５２と、補助噴口５３，５３と、の配置位置、設定数および形状は、図示例に限定されるわけではない。

１：ディーゼルエンジン、 ２：シリンダブロック、 ３：シリンダヘッド、 ４：シリンダ、 ５：ピストン、 ５Ａ：頂面、 ６Ａ：シリンダヘッド底面、 １０：主燃焼室、 ２０：副燃焼室、 ３０：燃料噴射ノズル、 ３１：噴射部、 ３２：大径の孔、 ３３、３４：小径の孔、 ４０：多噴口、 ４８：装着孔、 ５０：口金、 ５１：主噴口、 ５２：副噴口、 ５３：補助噴口、 ５６：開口部、 ５７：胴部収容部、 ５８：空洞部、 ５８Ａ：内周面、 ５９：底部、 ６０：胴部、 ６１：凹部、 ６１Ａ：内周面、 １００：パイロット噴射、 ２００：メイン噴射、 Ｇ：燃焼気流、 Ｐ：シリンダ中心軸、 Ｔ１：下死点、 Ｔ２：上死点、 Ｘ：燃料噴霧

Claims (4)

1. 主燃焼室と、前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられた副燃焼室と、が互いに通じているディーゼルエンジンであって、
   中央部に配置された大径の孔と、前記大径の孔の両側の位置に配置され前記大径の孔の径よりも小さい径を有する小径の孔と、を有する燃料噴射ノズルと、
   前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通させる噴口であって、主噴口と、前記主噴口の両側の位置に配置される副噴口と、前記副噴口の両側の位置に配置される補助噴口と、を含む前記噴口を有する口金と、
   を備え、
   吸気工程の下死点を挟んでシリンダ内圧が１０ＭＰａ以下となる範囲の前記吸気工程で、燃料のパイロット噴射が、前記燃料噴射ノズルから前記副燃焼室を経て前記口金に向けて行われることを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記燃料の前記パイロット噴射は、前記燃料噴射ノズルの前記大径の孔のみから行われることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記パイロット噴射のときの前記シリンダ内圧よりも高い前記シリンダ内圧の状態で、前記燃料のメイン噴射がさらに行われ、
   前記燃料の前記メイン噴射は、前記燃料噴射ノズルの前記大径の孔と、前記燃料噴射ノズルの前記小径の孔と、の両方から行われることを特徴とする請求項１または２に記載のディーゼルエンジン。
4. 前記燃料の前記メイン噴射において、前記小径の孔からの前記燃料の噴射は、前記口金の前記補助噴口へ向けて行われることを特徴とする請求項３に記載のディーゼルエンジン。
   
   

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