JPH07116942B2 - 副室式断熱エンジン及びその燃料噴射制御装置 - Google Patents

副室式断熱エンジン及びその燃料噴射制御装置

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JPH07116942B2
JPH07116942B2 JP1252272A JP25227289A JPH07116942B2 JP H07116942 B2 JPH07116942 B2 JP H07116942B2 JP 1252272 A JP1252272 A JP 1252272A JP 25227289 A JP25227289 A JP 25227289A JP H07116942 B2 JPH07116942 B2 JP H07116942B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、副室に主噴射と副噴射を行うノズルを備え
た副室式断熱エンジン及びその燃料噴射制御装置に関す
る。
〔従来の技術〕
従来、セラミック材料を断熱材又は耐熱材として利用し
た断熱エンジンの構造は、例えば、特願昭63−180250号
に開示されている。
該出願に開示された断熱ピストンの構造は、シリンダヘ
ッドに断熱材を介して嵌合した高密度セラミック製薄板
で構成した主燃焼室に、低熱伝導材製副室ブロックの内
壁面を高密度セラミック製薄板で構成し且つ燃料噴射ノ
ズルを設けた副燃焼室を連通したものである。
しかも、該断熱エンジンの構造は、前記主燃焼室をシリ
ンダヘッドの下面に対向する高密度セラミック製ヘッド
下面薄板とライナ薄板とから一体構造に構成し、前記ラ
イナ薄板を低熱伝導材製シリンダライナ上部に嵌合し、
前記ヘッド下面薄板に形成した開口に前記副燃焼室の出
入通路を連通し、ピストンヘッドの前記主燃焼室側を高
密度セラミック製ヘッド薄板で構成したものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来、ディーゼルエンジンにおいて、予混合気をある程
度吸入させ、該吸入した予混合気を圧縮した後、ノズル
より燃料を噴射させる場合、エンジン出力を向上させ、
スモーク等の発生を低減することは知られている。
この場合、予混合気が非常に薄い混合比となってシリン
ダ内全体にほぼ均一に分布するため、通常のノズルから
燃料を噴射して燃焼した後にでも、シリンダ壁近く、ピ
ストンヘッドのトップランドとシリンダライナとの隙間
に存在する予混合気は、燃焼せずにそのまま未燃ガスと
して排気され、燃料のハイドロカーボン成分が劣化する
原因になっている。
ところで、前掲特願昭63−180250号に開示された断熱エ
ンジンの構造については、主燃焼室及び副燃焼室の壁面
を構成するセラミックス部材の熱容量を可及的に小さく
構成し、エンジンの吸入効率を向上させると共に、吸入
効率の向上に伴って燃料噴霧と空気との混合を速やかに
実行させ、しかも燃料当量比を急激に低下させることに
よって、スモーク発生温度ゾーンでの燃焼時間を短時間
にし且つNOX発生温度ゾーンでの燃焼を避け、スモーク
及びNOXの発生を防止し、しかもセラミック材料の肉厚
の減少に伴う強度上の劣化を防止できるものである。
このような断熱エンジンにおいて、更に、副室の内壁か
ら熱エネルギーを回収し、薄い混合気がシリンダ内に拡
がるのを防止して燃料のハイドロカーボンの劣化を無く
すには、副室式断熱エンジンを如何に構成したら良いか
の課題がある。
この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
副室の壁面を構成するセラミック材料で断熱構造に構成
し、該副室に主ノズルと副ノズルとの2つのノズル、或
いは1つのノズルを設け、燃料を副室に副噴射すること
によって、出力、燃費を向上させ、スモークの発生を低
減し、着火遅れを減少してノイズの発生を低減し、特
に、燃料の副噴射を蓄圧式低圧噴射で行うと共に、高温
になる副室内壁面に拡がるように該内壁面に沿って噴射
し、エンジンの作動状態に対応して燃料噴射量、或いは
燃料噴射時期を抑制し、それによって、該噴射した燃料
によって副室内壁面から熱を奪って受熱蒸発させて熱エ
ネルギーを回収し、副噴射に次いで主噴射することで混
合気をリッチ状態にしてNOXの発生を抑制し、またサイ
クル効率を向上させると共に、薄い混合気が筒内に滞留
することで発生するハイドロカーボンの劣化を無くした
副室式断熱エンジン及びその燃料噴射制御装置を提供す
ることである。
〔課題を解決するための手段〕
この発明は、上記の目的を達成するために、次のように
構成されている。即ち、この発明は、副室を備えたエン
ジンにおいて、断熱構造に構成した副室、燃料加圧ポン
プからの燃料を一旦蓄圧するための蓄圧室を有し且つ前
記副室の壁面から熱回収するため前記エンジンの吸入行
程後期から圧縮行程前期にかけて燃料を前記副室の内壁
面に沿って低圧噴射する副ノズル、及び前記エンジンの
圧縮行程後期から膨張行程前期にかけて燃料噴射ポンプ
から燃料を前記副室に主噴射する主ノズルを有する副室
式断熱エンジンに関する。
又は、この発明は、副室を備えたエンジンにおいて、断
熱構造に構成した副室、前記エンジンの圧縮行程後期か
ら膨張行程前期にかけて燃料噴射ポンプから燃料を前記
副室に主噴射する主ノズル、前記加圧ポンプからの燃料
を一旦蓄圧するための蓄圧室を有し且つ電気的に開閉作
動する針弁の開放によって前記副室の壁面から熱回収す
るため前記エンジンの吸入行程後期から圧縮行程前期に
かけて燃料を前記副室の内壁面に沿って低圧噴射する副
ノズル、エンジンの作動状態を検出するセンサー、及び
該センサーの検出信号に応答して前記副ノズルから噴射
する流量を制御し且つ吸入行程後期から圧縮行程前期に
かけて燃料を副噴射する制御を行うコントローラを有す
る副室式断熱エンジンの燃料噴射制御装置に関する。
或いは、この発明は、副室を備えたエンジンにおいて、
断熱構造に構成した副室、燃料加圧ポンプからの燃料を
一旦蓄圧するための蓄圧室を有し且つ電気的に開閉作動
する針弁の開放によって前記副室に燃料を噴射するノズ
ル、エンジンの作動状態を検出するセンサー、及び該セ
ンサーの検出信号に応答して前記ノズルから噴射する流
量を制御すると共に、前記副室の壁面から熱回収するた
め吸入行程後期から圧縮行程前期にかけて燃料を副噴射
し、次いで圧縮行程後期から膨張行程前期にかけて燃料
を主噴射する制御を行うコントローラを有する副室式断
熱エンジンの燃料噴射制御装置に関する。
〔作用〕
この発明による副室式断熱エンジン及び燃料噴射制御装
置は、以上のように構成されており、次のように作用す
る。即ち、この副室式断熱エンジンは、燃料加圧ポンプ
からの燃料を一旦蓄圧するための蓄圧室を有する副ノズ
ルから、エンジンの吸入行程後期から圧縮行程前期にか
けて副室の内壁面に沿って低圧噴射された燃料が、断熱
構造に構成され高温となっている副室の内壁面から熱エ
ネルギーを回収すると共に、エンジンの圧縮行程後期か
ら膨張行程前期にかけて噴射される主噴射までに相当の
時間があるために副室の内壁面より十分に受熱蒸発する
ことができ、エンジンの圧縮行程後期から膨張行程前期
にかけて噴射される燃料の主噴射時に着火遅れを生ずる
ことなく、燃焼することができる。
また、この副室式断熱エンジンの燃料噴射制御装置は、
前記副ノズルを電気的に開閉作動する針弁の開放で前記
副室の内壁面に沿って燃料を噴射するように構成し、コ
ントローラによってエンジンの作動状態を検出するセン
サーの検出信号に応答して前記副ノズルから噴射する流
量を制御し且つ吸入行程の後期から圧縮行程前期にかけ
て燃料を副噴射する制御を行うので、エンジン負荷、エ
ンジン回転等のエンジンの作動状態に応じて最適状態に
副噴射の流量を制御でき、熱エネルギーの回収を的確に
且つ確実に達成でき且つハイドロカーボンの劣化を無く
すことができる。
或いは、この副室式断熱エンジンの燃料噴射制御装置
は、燃料加圧ポンプからの燃料を一旦蓄圧するための蓄
圧室を有するノズルから、エンジンの作動状態に応じて
制御された燃料がエンジンの吸入行程後期から圧縮行程
前期にかけて燃料が副噴射されると共に、エンジンの圧
縮行程後期から膨張行程前期にかけて燃料が主噴射され
る。
従って、この副室式断熱エンジンの燃料噴射制御装置
は、上記と同様に、エンジンの吸入行程後期から圧縮行
程前期にかけて噴射された燃料は、断熱構造に構成され
高温となっている副室の内壁面から熱エネルギーを回収
すると共に、エンジンの圧縮行程後期から膨張行程前期
にかけて噴射される主噴射までに相当の時間があるため
に副室の内壁面より十分に受熱蒸発することができ、エ
ンジンの圧縮行程後期から膨張行程前期にかけて噴射さ
れる燃料の主噴射時に着火遅れを生ずることなく、燃焼
することができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照して、この発明による副室式断熱エン
ジンの実施例を詳述する。
第1図において、この発明の実施例である副室式断熱エ
ンジンの概略断面図が示されている。この副室式断熱エ
ンジンは、副室4を備えたスワールチャンバ式ディーゼ
ルエンジンであり、副室4をセラミック材料を用いて断
熱構造に構成し、しかも副室4に副ノズル2を設けたも
のである。
この副室式断熱エンジンは、主として、シリンダ14を備
えたシリンダブロック11、シリンダ14に嵌合したシリン
ダライナ26、シリンダブロック11にガスケット7を介し
て固定したシリンダヘッド10、シリダライナ26内を往復
運動するピストン6、シリンダヘッド10に形成された吸
排気ポート13及び断熱構造の副室4、吸排気ポート13に
配置された吸排気バルブ8、副室4に設けた主ノズル3
及び副ノズル2、シリンダライナ26、シリンダヘッド10
の下面部及びピストンヘッド部で形成され且つ連絡孔9
を通じて副室4と連通する主燃焼室5を有する。
副室4は、窒化珪素(Si3N4)、炭化珪素(SiC)、チタ
ン酸アルミニウム、チタン酸カリウム、複合材料のセラ
ミック材料から成る副室壁体1から断熱構造に構成され
ている。
この副室式断熱エンジンについては、副ノズル2から燃
料全噴射量のうち少量の燃料を副室4内に副噴射し、次
いで主ノズル3から燃料全噴射量のうち大部分の燃料を
副室4内に主噴射するものである。
また、この副室式断熱エンジンには、副室4に配置され
た主ノズル3に燃料を供給する燃料噴射ポンプ23、及び
副室4に配置された副ノズル2に燃料を供給する燃料加
圧ポンプ22が設けられている。
副ノズル2は、特に、針弁を電気的に開閉作動する電気
式噴射ノズルから構成し、コントローラ20の指令を受け
て吸入行程の後期から圧縮行程前期にかけて燃料を副室
4に低圧噴射するものである。例えば、副ノズル2に組
み込まれている針弁をソレノイドで上下運動可能に構成
し、該ソレノイドの付勢で針弁が副ノズル2の墳口を開
放し、副室4内に燃料を噴射するように構成すればよ
い。
更に、副ノズル2の構造については、燃料加圧ポンプ22
からの燃料供給圧力を一旦蓄圧するための蓄圧室を有す
る蓄圧式燃料噴射ノズルから構成し、燃料を副室4の内
壁面21に沿って低圧噴射するように墳口を形成したもの
を使用できる。即ち、副ノズル2が蓄圧室を有するの
で、燃料加圧ポンプ22から供給された燃料は副ノズル2
で一旦蓄圧され、該蓄圧された燃料を針弁の開放時に噴
射するように構成する。
しかも、副ノズル2からの副噴射による燃料は副室4の
内壁面21に付着する程度でよいので、燃料加圧ポンプ22
は低圧のもので十分であり、燃料加圧ポンプ22自体は大
幅に小型且つ軽量化できる。
更に、燃料噴射ポンプ23にはポンプ作動用プーリ16が設
けられ、また、燃料加圧ポンプ22にはポンプ作動用プー
リ15が設けられている。
これらのポンプ作動用プーリ15,16は、クランクシャフ
ト17に取り付け且つクランクシャフト17と一体に回転す
るクランクプーリ18にタイミグベルト19によって駆動連
結されている。従って、エンジン回転に伴って燃料噴射
ポンプ23及び燃料加圧ポンプ22はタイミングベルト19に
よって駆動される。
更に、この副室式断熱エンジンにおいて、副ノズル2に
よって副室4に燃料を供給する燃料噴射制御装置は、エ
ンジンの作動状態、即ち、エンジン負荷を検出するセン
サー24及びエンジン回転を検出するセンサー25、及び各
センサー24,25からの検出信号を受けて指令を発するコ
ントローラ20を有している。
エンジン負荷は主燃料噴射ポンプ23から噴射される燃料
流量を検出することによって検出でき、また、エンジン
回転はクランク軸17の回転数を検出することによって検
出できる。これらのセンサー24,25で検出された検出信
号は、コントローラ20に入力される。コントローラ20
は、各検出信号を受けて、副ノズル2の針弁の開放時期
を制御し、燃料加圧ポンプ22から副ノズル2へ供給され
た燃料の噴射流量を制御する。
即ち、この副室式断熱エンジンにおける燃料噴射制御装
置は、コントローラ20によって、エンジンのエンジン負
荷、エンジン回転等の作動状態を検出するセンサー24,2
5の検出信号に応答して副ノズル2から副室4に噴射す
る燃料流量を制御すると共に、吸入行程の後期から圧縮
行程前期にかけて燃料を副室4に副ノズル2から副噴射
するための噴射時期を制御することができる。
場合によっては、主ノズル3の針弁を電気的に開閉作動
するように構成し、コントローラ20の指令で主ノズル3
の開閉時期及び開度を制御することもできることは勿論
である。
第2図に示すように、この副室式断熱エンジンは、吸入
行程A、圧縮行程B、膨張行程C及び排気行程Dの4サ
イクルから成る行動行程で駆動されるものである。
この副室式断熱エンジンにおいて燃料噴射制御装置は、
特に、吸入行程Aの後期から圧縮行程Bの前期にかけて
副ノズル2から少量の燃料を副噴射し、次いで、圧縮行
程Bの後期から膨張行程Cの前期にかけて主ノズル3か
ら燃料を主噴射することを特徴としている。副ノズル2
から副室4内へ噴射される燃料流量Sは、例えば、燃料
全噴射量の0〜30%であり、また、主ノズル3から副室
4内へ噴射される燃料流量Lは、例えば、燃料全噴射量
の70〜100%である。
更に、副ノズル2から副室4へ燃料を噴射する燃料噴射
パターン12は、副室2の内壁面21に沿って壁面に接触す
る状態で噴射し、噴射された燃料によって副室4の内壁
面21から熱エネルギーを回収する。
次に、この発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射制
御装置の別の実施例を、第3図を参照して説明する。こ
の副室式断熱エンジンの構造は、上記実施例のものと比
較すると、燃料加圧ポンプ及びノズルが1つである以外
は同一の構成であるので、同一の部品には同一の符号を
付し、重複する説明を省略する。
この副室式断熱エンジンの燃料噴射制御装置は、副室4
に燃料を供給するために1つのノズル27及びノズル27に
燃料を供給する燃料加圧ポンプ28を有している。ノズル
27については、上記副ノズル2と同様な構成を有するも
のであり、燃料供給圧力を一旦蓄圧するための蓄圧室、
及び電気的に開閉作動する針弁を有するものである。こ
の燃料噴射制御装置は、エンジンの作動状態であるエン
ジン負荷を検出するセンサー24、エンジンの作動状態で
あるエンジン回転を検出するセンサー25、及び該各セン
サー24,25の各検出信号を受けてノズル27に指令を発す
るコントローラ20を有している。
コントローラ20は、各センサー24,25の各検出信号に応
答してノズル27から副室4に噴射する燃料流量を制御す
ると共に、圧縮行程の後期から膨張行程の前期にかけて
燃料を副室4に主噴射し且つ吸入行程の後期から圧縮行
程の前期にかけて燃料を副室4に副噴射するように、ノ
ズル27の開度及び開閉時期を制御する。
従って、この副室式断熱エンジンの燃料噴射制御装置
は、ノズル27と燃料加圧ポンプ28を有するのみで、副室
4に対する主噴射と副噴射とを行うことができる。
〔発明の効果〕
この発明による副室式断熱エンジン及びその燃料噴射制
御装置は、以上のように構成されているので、次のよう
な効果を有する。即ち、この副室式断熱エンジンは、断
熱構造に構成した副室、燃料加圧ポンプからの燃料を一
旦蓄圧するための蓄圧室、該蓄圧室に接続され前記エン
ジンの吸入行程後期から圧縮行程前期にかけて燃料を前
記副室の内壁面に沿って低圧噴射する副ノズル、及び前
記エンジンの圧縮行程後期から膨張行程前期にかけて燃
料噴射ポンプから燃料を前記副室に主噴射する主ノズル
を有するので、燃料加圧ポンプからの燃料を一旦蓄圧す
るための蓄圧室に接続された副ノズルから、エンジンの
吸入行程後期から圧縮行程前期にかけて副室の内壁面に
沿って低圧噴射された燃料は、断熱構造に構成され高温
となっている副室の内壁面から熱エネルギーを回収する
と共に、エンジンの圧縮行程後期から膨張行程前期にか
けて噴射される主噴射までに相当の時間があるために副
室の内壁面より十分に受熱蒸発することができ、エンジ
ンの圧縮行程後期から膨張行程前期にかけて噴射される
燃料の主噴射時に着火遅れを生ずることなく、燃焼する
ことができる。
このように、本発明によれば、エンジンの吸入行程後期
から圧縮行程前期にかけて副室の内壁面に沿って副ノズ
ルから低圧噴射された燃料は、断熱構造に構成され高温
となっている副室の内壁面から熱エネルギーを回収する
ので、サイクル効率を向上し、燃費を向上させることが
できる。
また、本発明によれば、エンジンの吸入行程後期から圧
縮行程前期にかけて副室の内壁面に沿って副ノズルから
噴射された燃料は、エンジンの圧縮行程後期から膨張行
程前期にかけて噴射される主噴射までに相当の時間があ
るために副室の内壁より十分に受熱蒸発することがで
き、エンジンの圧縮行程後期から膨張行程前期にかけて
噴射される燃料の主噴射時に着火遅れを生ずることな
く、燃焼することができるため、主燃焼期間が短縮さ
れ、サイクル効率を向上させることができる。更に、本
発明によれば、主ノズルからの主噴射燃焼時に、副噴射
によって予め薄い混合気が生成されているため、主噴射
で燃料をリッチな状態の混合気にでき、該リッチな混合
気を燃焼させるので、NOXの生成を抑制することができ
る。
また、本発明によれば、副ノズルから副室への燃料の噴
射は、副室内へ空気が流入するエンジンの吸入行程後期
から圧縮行程前期にかけて行われるので、副噴射の燃料
は全量が前記副室内に留まり、そのため、シリンダ内に
該混合気が滞留ような現象は発生せず、ハイドロカーボ
ンの劣化を無くすことができる。
また、前記副ノズルを蓄圧式燃料噴射ノズルに構成した
ので、前記燃料加圧ポンプが低圧のもので済み、前記燃
料加圧ポンプ自体を大幅に小型化、軽量化に構成でき、
コストを低減できる。
更に、この副室式断熱エンジンの燃料噴射制御装置は、
副ノズルを電気的に開閉作動する針弁の開放で副室の内
壁面に沿って燃料を噴射するように構成し、コントロー
ラによってエンジンの作動状態を検出するセンサーの検
出信号に応答して前記副ノズルから噴射する流量を制御
し且つ吸入行程後半から圧縮行程にかけて燃料を副噴射
する制御を行うので、エンジン負荷、エンジン回転等の
エンジンの作動状態に応じて最適状態に副噴射の流量を
制御できる。即ち、エンジンの高負荷高回転時には前記
副室は相当に高温度になろうとするが、該副室の状態に
応じて副噴射する燃料流量が制御され、最適状態にコン
トロールできる。
或いは、この副室式断熱エンジンの燃料噴射制御装置
は、断熱構造に構成した副室、電気的に開閉作動する針
弁の開放で前記副室に燃料を噴射するノズル、該ノズル
へ燃料を供給する燃料加圧ポンプ、エンジンの作動状態
を検出するセンサー、及び該センサーの検出信号に応答
して前記ノズルから噴射する流量を制御すると共に、吸
入行程後半から圧縮行程にかけて燃料を副噴射し、該副
噴射に次いで圧縮行程後半から膨張行程にかけて燃料を
主噴射する制御を行うコントローラを有するので、上記
と同様な効果を有すると共に、特に、主噴射及び副噴射
を行うのに燃料加圧ポンプ及びノズルは1つで済み、大
幅に小型化、軽量化に構成できると共に、大幅にコスト
を低減できる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明による副室式断熱エンジンの一実施例
を示す説明図、第2図は第1図の副室式断熱エンジンに
おいて燃料噴射時期を示す説明図、及び第3図はこの発
明による副室式断熱エンジンの燃料噴射制御装置を説明
するための副室式断熱エンジンの別の実施例を示す説明
図である。 1……副室壁体、2……副ノズル、3……主ノズル、4
……副室、5……主燃焼室、6……ピストン、10……シ
リンダヘッド、12……燃料噴射パターン、14……シリン
ダ、15,16……ポンプ作動用プーリ、20……コントロー
ラ、21……内壁面、22,28……燃料加圧ポンプ、23……
燃料噴射ポンプ、24,25……センサー、27……ノズル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 F02M 61/14 310 V

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】副室を備えたエンジンにおいて、断熱構造
    に構成した副室、燃料加圧ポンプからの燃料を一旦蓄圧
    するための蓄圧室を有し且つ前記副室の壁面から熱回収
    するため前記エンジンの吸入行程後期から圧縮行程前期
    にかけて燃料を前記副室の内壁面に沿って低圧噴射する
    副ノズル、及び前記エンジンの圧縮行程後期から膨張行
    程前期にかけて燃料噴射ポンプから燃料を前記副室に主
    噴射する主ノズルを有する副室式断熱エンジン。
  2. 【請求項2】副室を備えたエンジンにおいて、断熱構造
    に構成した副室、前記エンジンの圧縮行程後期から膨張
    行程前期にかけて燃料噴射ポンプから燃料を前記副室に
    主噴射する主ノズル、燃料加圧ポンプからの燃料を一旦
    蓄圧するための蓄圧室を有し且つ電気的に開閉作動する
    針弁の開放によって前記副室の壁面から熱回収するため
    前記エンジンの吸入行程後期から圧縮行程前期にけて燃
    料を前記副室の内壁面に沿って低圧噴射する副ノズル、
    エンジンの作動状態を検出するセンサー、及び該センサ
    ーの検出信号に応答して前記副ノズルから噴射する流量
    を制御し且つ吸入行程後期から圧縮行程前期にかけて燃
    料を副噴射する制御を行うコントローラを有する副室式
    断熱エンジンの燃料噴射制御装置。
  3. 【請求項3】副室を備えたエンジンにおいて、断熱構造
    に構成した副室、燃料加圧ポンプからの燃料を一旦蓄圧
    するための蓄圧室を有し且つ電気的に開閉作動する針弁
    の開放によって前記副室に燃料を噴射するノズル、エン
    ジンの作動状態を検出するセンサー、及び該センサーの
    検出信号に応答して前記ノズルから噴射する流量を制御
    すると共に、前記副室の壁面から熱回収するため吸入行
    程後期から圧縮行程前期にかけて燃料を副噴射し、次い
    で圧縮行程後期から膨張行程前期にかけて燃料を主噴射
    する制御を行うコントローラを有する副室式断熱エンジ
    ンの燃料噴射制御装置。
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