JPH09228838A - 直接噴射式ディーゼル機関 - Google Patents
直接噴射式ディーゼル機関Info
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- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
(57)【要約】
【課題】二段燃焼方式の第一段目の燃焼において、完全
に近い均一混合気を生成し、低ＮＯX 、低黒煙及び低燃
費を実現させる。 【解決手段】第一段燃焼室４と第二段燃焼室５を有し、
第一段燃焼室の容積割合を４０〜６０％、圧縮比を１
５．５〜１７．５とし、インジェクタ６により第一段燃
焼室に燃料を噴射する二段燃焼方式の直接噴射式ディー
ゼル機関において、燃料噴射圧力を１５０〜２５０ＭＰ
ａ、第一段燃焼室径を５０〜８０ｍｍ、インジェクタの
噴孔径を０．０７〜０．１５ｍｍ、噴孔数を６〜８個と
し、ノズル噴孔から噴射された噴霧が、中心部の不燃域
で空気Ｄを取り込み、燃焼室壁面で衝突した後、平面方
向及び深さ方向から燃焼室中心方向に方向に舞戻り、混
合気Ｃは再び噴霧に再導入され全体が均一に混合される
ようにする。
に近い均一混合気を生成し、低ＮＯX 、低黒煙及び低燃
費を実現させる。 【解決手段】第一段燃焼室４と第二段燃焼室５を有し、
第一段燃焼室の容積割合を４０〜６０％、圧縮比を１
５．５〜１７．５とし、インジェクタ６により第一段燃
焼室に燃料を噴射する二段燃焼方式の直接噴射式ディー
ゼル機関において、燃料噴射圧力を１５０〜２５０ＭＰ
ａ、第一段燃焼室径を５０〜８０ｍｍ、インジェクタの
噴孔径を０．０７〜０．１５ｍｍ、噴孔数を６〜８個と
し、ノズル噴孔から噴射された噴霧が、中心部の不燃域
で空気Ｄを取り込み、燃焼室壁面で衝突した後、平面方
向及び深さ方向から燃焼室中心方向に方向に舞戻り、混
合気Ｃは再び噴霧に再導入され全体が均一に混合される
ようにする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低ＮＯX 、低黒煙
及び低燃費を実現させるための直接噴射式ディーゼル機
関の技術分野に属する。
及び低燃費を実現させるための直接噴射式ディーゼル機
関の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】ＮＯX を低減させるディーゼル燃焼シス
テムの一つにいわゆる二段燃焼方式がある。二段燃焼方
式は、ＮＯX が空気過剰率１．１付近で最も多く生成さ
れるため、第一段目の燃焼をリッチ側で着火、燃焼させ
てＮＯX の生成を抑制し、二段目の燃焼で乱れを与え一
気に（理論混合比の燃焼を短時間で通過）新気と混合さ
せて、リーン側の燃焼に切り換え、低ＮＯX を維持しな
がら、第一段目の燃焼で生成した黒煙の再燃焼を図る燃
焼方式である。
テムの一つにいわゆる二段燃焼方式がある。二段燃焼方
式は、ＮＯX が空気過剰率１．１付近で最も多く生成さ
れるため、第一段目の燃焼をリッチ側で着火、燃焼させ
てＮＯX の生成を抑制し、二段目の燃焼で乱れを与え一
気に（理論混合比の燃焼を短時間で通過）新気と混合さ
せて、リーン側の燃焼に切り換え、低ＮＯX を維持しな
がら、第一段目の燃焼で生成した黒煙の再燃焼を図る燃
焼方式である。
【０００３】予燃焼室式や過流室式は、二段燃焼を実用
化した典型的な例であるが、絞りによる熱損失やガス通
路の熱負荷の問題があり、これを解決するために直接噴
射式での二段燃焼が提案されている。その例として、第
一段燃焼室と第二段燃焼室を有し、第一段燃焼室に燃料
を供給する主噴射ノズルに近接してシリンダヘッド内に
燃焼攪乱室を設け、燃焼後期に少量の燃料を燃焼攪乱室
に噴射し、燃焼攪乱室内で生成した高圧燃焼ガスを第一
段燃焼室内に噴出させ、これにより燃焼後期に積極的に
乱れを起こす方式が知られている。
化した典型的な例であるが、絞りによる熱損失やガス通
路の熱負荷の問題があり、これを解決するために直接噴
射式での二段燃焼が提案されている。その例として、第
一段燃焼室と第二段燃焼室を有し、第一段燃焼室に燃料
を供給する主噴射ノズルに近接してシリンダヘッド内に
燃焼攪乱室を設け、燃焼後期に少量の燃料を燃焼攪乱室
に噴射し、燃焼攪乱室内で生成した高圧燃焼ガスを第一
段燃焼室内に噴出させ、これにより燃焼後期に積極的に
乱れを起こす方式が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃焼攪乱室による方式は、二段燃焼の後期燃焼を活
発化するための工夫であるが、第一段燃焼の均一混合気
生成に関しては具体的な手法が提案されていない。二段
燃焼方式において、第一段目のリッチ燃焼に、極限の均
一混合気を形成することは、低ＮＯX 、低黒煙及び低燃
費を実現させるために極めて重要である。
来の燃焼攪乱室による方式は、二段燃焼の後期燃焼を活
発化するための工夫であるが、第一段燃焼の均一混合気
生成に関しては具体的な手法が提案されていない。二段
燃焼方式において、第一段目のリッチ燃焼に、極限の均
一混合気を形成することは、低ＮＯX 、低黒煙及び低燃
費を実現させるために極めて重要である。
【０００５】先ず、低ＮＯX の観点からいうと、図９に
示すように、ＮＯX は空気過剰率λ＝１．１付近で最も
多く生成され、リッチで均一な混合気であればＮＯX の
低減効果が最も大きい。しかし全体の平均がリッチであ
っても、混合気の中に不均一があって、空気過剰率λ＝
１．１近傍の混合気が形成されると、生成されるＮＯX
濃度は、空気過剰率に対して増加するので影響が大き
く、均一に近い混合気を生成することは、理論混合比に
近い混合気を作らないという意味で重要なことである。
示すように、ＮＯX は空気過剰率λ＝１．１付近で最も
多く生成され、リッチで均一な混合気であればＮＯX の
低減効果が最も大きい。しかし全体の平均がリッチであ
っても、混合気の中に不均一があって、空気過剰率λ＝
１．１近傍の混合気が形成されると、生成されるＮＯX
濃度は、空気過剰率に対して増加するので影響が大き
く、均一に近い混合気を生成することは、理論混合比に
近い混合気を作らないという意味で重要なことである。
【０００６】また、低黒煙の観点からいうと、黒煙は局
部的な過濃な混合比の領域で生成され、均一混合気であ
れば、図１０に示すように理論混合比以下でも、即黒煙
ではなく空気過剰率０．６５程度までは黒煙が生成され
ずにＣＯが生成される領域がある。黒煙に比較してＣＯ
の方が格段に再燃焼しやすく、二段目の燃焼に有利であ
る。低ＮＯX には、部分的な薄い混合気が好ましくな
く、低黒煙には部分的な濃い混合気が好ましくないこと
から、均一混合気の形成が非常に重要である。
部的な過濃な混合比の領域で生成され、均一混合気であ
れば、図１０に示すように理論混合比以下でも、即黒煙
ではなく空気過剰率０．６５程度までは黒煙が生成され
ずにＣＯが生成される領域がある。黒煙に比較してＣＯ
の方が格段に再燃焼しやすく、二段目の燃焼に有利であ
る。低ＮＯX には、部分的な薄い混合気が好ましくな
く、低黒煙には部分的な濃い混合気が好ましくないこと
から、均一混合気の形成が非常に重要である。
【０００７】また、低燃費の観点からいうと、二段燃焼
方式は燃焼期間が長くなりがちなため、燃費が悪化しや
すい。二段目の燃焼を行わせる際、黒煙ではなくＣＯが
存在する燃焼ガスであれば、燃焼期間は短縮され燃費の
改善効果が大きい。
方式は燃焼期間が長くなりがちなため、燃費が悪化しや
すい。二段目の燃焼を行わせる際、黒煙ではなくＣＯが
存在する燃焼ガスであれば、燃焼期間は短縮され燃費の
改善効果が大きい。
【０００８】本発明は、上記課題を解決するものであっ
て、二段燃焼方式の第一段目の燃焼において、完全に近
い均一混合気を生成し、低ＮＯX 、低黒煙及び低燃費を
実現させることができる直接噴射式ディーゼル機関を提
供することを目的とする。
て、二段燃焼方式の第一段目の燃焼において、完全に近
い均一混合気を生成し、低ＮＯX 、低黒煙及び低燃費を
実現させることができる直接噴射式ディーゼル機関を提
供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】そのために本発明の直接
噴射式ディーゼル機関は、第一段燃焼室と第二段燃焼室
を有し、第一段燃焼室の容積割合を４０〜６０％、圧縮
比を１５．５〜１７．５とし、インジェクタにより第一
段燃焼室に燃料を噴射する二段燃焼方式の直接噴射式デ
ィーゼル機関において、燃料噴射圧力を１５０〜２５０
ＭＰａ、第一段燃焼室径を５０〜８０ｍｍ、インジェク
タの噴孔径を０．０７〜０．１５ｍｍ、噴孔数を６〜８
個としたことを特徴とする。
噴射式ディーゼル機関は、第一段燃焼室と第二段燃焼室
を有し、第一段燃焼室の容積割合を４０〜６０％、圧縮
比を１５．５〜１７．５とし、インジェクタにより第一
段燃焼室に燃料を噴射する二段燃焼方式の直接噴射式デ
ィーゼル機関において、燃料噴射圧力を１５０〜２５０
ＭＰａ、第一段燃焼室径を５０〜８０ｍｍ、インジェク
タの噴孔径を０．０７〜０．１５ｍｍ、噴孔数を６〜８
個としたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は、本発明の直接噴射式デ
ィーゼル機関の１例を示し、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）
のＡ−Ａ線に沿う断面図、図１（Ｂ）はピストンの平面
図である。
を参照しつつ説明する。図１は、本発明の直接噴射式デ
ィーゼル機関の１例を示し、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）
のＡ−Ａ線に沿う断面図、図１（Ｂ）はピストンの平面
図である。
【００１１】シリンダ１内には、ピストン２が摺動自在
に嵌合され、シリンダ１の上部には、シリンダヘッド３
が固定され、ピストン２の上部中央に第一段燃焼室４が
形成され、第一段燃焼室４の外周に凹溝状の第二段燃焼
室５が形成されている。シリンダヘッド３には、第一段
燃焼室４の略中心部に対向して主インジェクタ６が配設
され、また、主インジェクタ６に隣接して燃焼攪乱室７
が形成され、燃焼攪乱室７内に副インジェクタ９が配設
されている。
に嵌合され、シリンダ１の上部には、シリンダヘッド３
が固定され、ピストン２の上部中央に第一段燃焼室４が
形成され、第一段燃焼室４の外周に凹溝状の第二段燃焼
室５が形成されている。シリンダヘッド３には、第一段
燃焼室４の略中心部に対向して主インジェクタ６が配設
され、また、主インジェクタ６に隣接して燃焼攪乱室７
が形成され、燃焼攪乱室７内に副インジェクタ９が配設
されている。
【００１２】第一段燃焼室４の形状は、ハート形状を逆
さにして上部を切った断面形状をしており、中央部に高
さＨの山状突出部４ａを有し、燃焼室壁４ｂは開口から
傾斜角αでピストン２の奥部に入り込み、山状突出部４
ａと燃焼室壁４ｂの底部には曲面部４ｃが形成されてい
る。なお、山状突出部４ａの高さＨは、０（平坦）〜ピ
ストンが上死点におけるノズル近傍までとし、燃焼室壁
４ｂの傾斜角αは、０゜（垂直）から４５゜程度とし、
要するに、ノズル噴孔から噴射された噴霧が、中心部の
不燃域で空気Ｄを取り込み、燃焼室壁４ｂで衝突した
後、平面方向及び深さ方向から燃焼室中心方向に舞戻
り、混合気Ｃは再び噴霧に再導入され全体が均一に混合
されるようにする。
さにして上部を切った断面形状をしており、中央部に高
さＨの山状突出部４ａを有し、燃焼室壁４ｂは開口から
傾斜角αでピストン２の奥部に入り込み、山状突出部４
ａと燃焼室壁４ｂの底部には曲面部４ｃが形成されてい
る。なお、山状突出部４ａの高さＨは、０（平坦）〜ピ
ストンが上死点におけるノズル近傍までとし、燃焼室壁
４ｂの傾斜角αは、０゜（垂直）から４５゜程度とし、
要するに、ノズル噴孔から噴射された噴霧が、中心部の
不燃域で空気Ｄを取り込み、燃焼室壁４ｂで衝突した
後、平面方向及び深さ方向から燃焼室中心方向に舞戻
り、混合気Ｃは再び噴霧に再導入され全体が均一に混合
されるようにする。
【００１３】図２は、本発明に係わる二段燃焼のパター
ンを示している。主インジェクタ（Main Inj）６から燃
料を第一段燃焼室４内に噴射し第一段目の燃焼をリッチ
側で着火、燃焼させてＮＯX の生成を抑制し、燃焼後期
に副インジェクタ（Sub Inj）９から少量の燃料を燃焼
攪乱室７内に噴射し、燃焼攪乱室７内で生成した高圧燃
焼ガスを第一段燃焼室４内に噴出させて、二段目の燃焼
で乱れを与え一気に理論混合比の燃焼を短時間で通過さ
せ新気と混合させて、リーン側の燃焼に切り換え、低Ｎ
ＯX を維持しながら、第一段目の燃焼で生成したＣＯの
再燃焼を図るものである。
ンを示している。主インジェクタ（Main Inj）６から燃
料を第一段燃焼室４内に噴射し第一段目の燃焼をリッチ
側で着火、燃焼させてＮＯX の生成を抑制し、燃焼後期
に副インジェクタ（Sub Inj）９から少量の燃料を燃焼
攪乱室７内に噴射し、燃焼攪乱室７内で生成した高圧燃
焼ガスを第一段燃焼室４内に噴出させて、二段目の燃焼
で乱れを与え一気に理論混合比の燃焼を短時間で通過さ
せ新気と混合させて、リーン側の燃焼に切り換え、低Ｎ
ＯX を維持しながら、第一段目の燃焼で生成したＣＯの
再燃焼を図るものである。
【００１４】本発明が適用される直接噴射式ディーゼル
機関の圧縮比は、１５．５〜１７．５とし、第一段燃焼
室４の容積比４０〜６０％とする。その根拠について説
明すると、圧縮比は、エンジンの出力、排出ガス性能、
耐久性、熱負荷、始動性等の面から総合的に判断し、現
行の直接噴射式ディーゼル機関の一般的な値である１
５．５〜１７．５を採用する。すなわち、出力面ではこ
れより高くすると摩擦損失が増加し燃費悪化を招き、ま
た低くすると熱効率面で燃費悪化を招き、また、排出ガ
ス性能面では、これよりも高くするとＮＯX が高くなる
傾向があり、さらに、耐久性、熱負荷面では、これより
高くすると各部の負荷が増大して好ましくなく、始動性
面ではこれより低くする低温時の始動性に問題が出てく
るからである。
機関の圧縮比は、１５．５〜１７．５とし、第一段燃焼
室４の容積比４０〜６０％とする。その根拠について説
明すると、圧縮比は、エンジンの出力、排出ガス性能、
耐久性、熱負荷、始動性等の面から総合的に判断し、現
行の直接噴射式ディーゼル機関の一般的な値である１
５．５〜１７．５を採用する。すなわち、出力面ではこ
れより高くすると摩擦損失が増加し燃費悪化を招き、ま
た低くすると熱効率面で燃費悪化を招き、また、排出ガ
ス性能面では、これよりも高くするとＮＯX が高くなる
傾向があり、さらに、耐久性、熱負荷面では、これより
高くすると各部の負荷が増大して好ましくなく、始動性
面ではこれより低くする低温時の始動性に問題が出てく
るからである。
【００１５】第一段燃焼室４の容積比を４０〜６０％と
したことについて説明する。各回転速度で一番ＮＯX が
高くなるのは共通して負荷約８０％近辺であることが知
られている。そこで、負荷８０％近辺でのＮＯX を低減
する目的から、８０％負荷での燃料噴射量のときに第一
段燃焼室の中で均一混合気を形成した場合、空気過剰率
約０．８の均一混合気を生成することとした。空気過剰
率約０．８の混合気では、図９によりλ＝１．１に対し
て十分過濃側であり低ＮＯX が実現され、図１０に示す
ように黒煙が発生するλ＝０．６５に対しても余裕があ
るからである。第１段燃焼室４の容積比が大きすぎると
形成した均一混合気がλ＝１．０に近づきＮＯX が増加
することになり、小さすぎるとλ＝０．６５に近づき黒
煙が出やすくなるからである。
したことについて説明する。各回転速度で一番ＮＯX が
高くなるのは共通して負荷約８０％近辺であることが知
られている。そこで、負荷８０％近辺でのＮＯX を低減
する目的から、８０％負荷での燃料噴射量のときに第一
段燃焼室の中で均一混合気を形成した場合、空気過剰率
約０．８の均一混合気を生成することとした。空気過剰
率約０．８の混合気では、図９によりλ＝１．１に対し
て十分過濃側であり低ＮＯX が実現され、図１０に示す
ように黒煙が発生するλ＝０．６５に対しても余裕があ
るからである。第１段燃焼室４の容積比が大きすぎると
形成した均一混合気がλ＝１．０に近づきＮＯX が増加
することになり、小さすぎるとλ＝０．６５に近づき黒
煙が出やすくなるからである。
【００１６】本発明者は、図１の二段燃焼方式の第一段
目の燃焼について、第一段燃焼室４の形状を変えて均一
混合気を生成するための実験を行った。図３は、燃焼室
径を小さくすることによる混合気の均一化の効果を事前
に確認するために、燃料噴射圧１５０ＭＰａ、噴孔数
６、圧縮比１６．５の条件で、かつ第二段燃焼室なしで
第一段燃焼室４の形状を図３（Ａ）に示す小径深皿燃焼
室（径：８０ｍｍ）とした場合と、図３（Ｂ）に示す広
径浅皿燃焼室（径：９０ｍｍ、圧縮比が同一であるので
深さは浅い）とした場合について、燃焼室内にレーザ光
を照射し散乱光の状態から混合気及び火炎の分布を撮影
した図（写真）を示している。図４は、図３における混
合気及び火炎の分布を説明するための図である。
目の燃焼について、第一段燃焼室４の形状を変えて均一
混合気を生成するための実験を行った。図３は、燃焼室
径を小さくすることによる混合気の均一化の効果を事前
に確認するために、燃料噴射圧１５０ＭＰａ、噴孔数
６、圧縮比１６．５の条件で、かつ第二段燃焼室なしで
第一段燃焼室４の形状を図３（Ａ）に示す小径深皿燃焼
室（径：８０ｍｍ）とした場合と、図３（Ｂ）に示す広
径浅皿燃焼室（径：９０ｍｍ、圧縮比が同一であるので
深さは浅い）とした場合について、燃焼室内にレーザ光
を照射し散乱光の状態から混合気及び火炎の分布を撮影
した図（写真）を示している。図４は、図３における混
合気及び火炎の分布を説明するための図である。
【００１７】その結果、図３（Ａ）に示す小径深皿燃焼
室の場合には、第一段目の燃焼において完全に近い均一
混合気を生成しており、図３（Ｂ）に示す広径浅皿燃焼
室の場合には、均一混合気の生成が不充分であることが
分かった。これを図１により説明すると、ノズル噴孔か
ら噴射された噴霧は、中心部の不燃域で空気Ｄを取り込
み、燃焼室壁面で衝突した後、平面方向及び深さ方向か
ら燃焼室中心方向に方向に舞戻り、混合気Ｃは再び噴霧
に再導入され全体が均一に混合される。
室の場合には、第一段目の燃焼において完全に近い均一
混合気を生成しており、図３（Ｂ）に示す広径浅皿燃焼
室の場合には、均一混合気の生成が不充分であることが
分かった。これを図１により説明すると、ノズル噴孔か
ら噴射された噴霧は、中心部の不燃域で空気Ｄを取り込
み、燃焼室壁面で衝突した後、平面方向及び深さ方向か
ら燃焼室中心方向に方向に舞戻り、混合気Ｃは再び噴霧
に再導入され全体が均一に混合される。
【００１８】しかし、燃焼室を小径化すると、燃料が液
滴で燃焼室壁に衝突するようになり、不完全燃焼する燃
料の割合が増加する。図５は、燃焼室径７０ｍｍの場合
を例に、燃焼室径７０ｍｍに適した主インジェクタ６の
燃料噴射ノズル径と燃料噴射圧力を維持して（後述）、
燃焼室径のみを変化させた場合のＮＯX とＨＣの特性図
を示している。最適な燃焼室径よりも大きくした場合の
ＮＯX の悪化の原因は、混合気の均一化が損なわれ、一
部に理論混合比に近い混合気が形成されるためであり、
最適な燃焼室径よりも小さくした場合のＨＣの悪化の原
因は、燃料が液滴で燃焼室壁に衝突するようになり、不
完全燃焼する燃料の割合が増加するためである。後述す
るように最適な燃焼室径は、燃料噴射圧力と燃料噴射ノ
ズル噴孔径との関係から、５０〜８０ｍｍであることが
分かる。
滴で燃焼室壁に衝突するようになり、不完全燃焼する燃
料の割合が増加する。図５は、燃焼室径７０ｍｍの場合
を例に、燃焼室径７０ｍｍに適した主インジェクタ６の
燃料噴射ノズル径と燃料噴射圧力を維持して（後述）、
燃焼室径のみを変化させた場合のＮＯX とＨＣの特性図
を示している。最適な燃焼室径よりも大きくした場合の
ＮＯX の悪化の原因は、混合気の均一化が損なわれ、一
部に理論混合比に近い混合気が形成されるためであり、
最適な燃焼室径よりも小さくした場合のＨＣの悪化の原
因は、燃料が液滴で燃焼室壁に衝突するようになり、不
完全燃焼する燃料の割合が増加するためである。後述す
るように最適な燃焼室径は、燃料噴射圧力と燃料噴射ノ
ズル噴孔径との関係から、５０〜８０ｍｍであることが
分かる。
【００１９】また、噴霧が壁面に到達する前にガス化し
ていないと、ＴＨＣ（トータルハイドロカーボン）の増
加や燃費の悪化等の影響を招く。そこで、燃料を微粒化
し短時間での蒸発と混合気形成のために、噴孔を小径化
する必要がある。
ていないと、ＴＨＣ（トータルハイドロカーボン）の増
加や燃費の悪化等の影響を招く。そこで、燃料を微粒化
し短時間での蒸発と混合気形成のために、噴孔を小径化
する必要がある。
【００２０】一般に噴霧先端到達距離Ｌは、燃料噴射ノ
ズル噴孔径をｄ0 、燃料噴射速度をＶ0、経過時間をｔ
とすると、 Ｌ＝ｋ1（ｄ0 ・Ｖ0・ｔ）1/2 …(1) で表される（ｋ1は定数）。また、燃料噴射速度Ｖ0は、
燃料噴射圧力Ｐ0に対して、 Ｖ0＝ｋ2・Ｐ0 1/2 …(2) で表される（ｋ2は定数）。（２）式を（１）式に代入
すると、 Ｌ＝ｋ3（ｄ0 ・Ｐ0 1/2・ｔ）1/2 …(3) となる（ｋ3は定数）。図６に示すように、噴霧先端到
達距離Ｌの中で主に燃料液滴で構成される液滴長さＬ′
は、実験による観察結果によると、本願の仕様の範囲内
では（４）式で表されることが確認された（ｋ4、ｋ5は
定数）。
ズル噴孔径をｄ0 、燃料噴射速度をＶ0、経過時間をｔ
とすると、 Ｌ＝ｋ1（ｄ0 ・Ｖ0・ｔ）1/2 …(1) で表される（ｋ1は定数）。また、燃料噴射速度Ｖ0は、
燃料噴射圧力Ｐ0に対して、 Ｖ0＝ｋ2・Ｐ0 1/2 …(2) で表される（ｋ2は定数）。（２）式を（１）式に代入
すると、 Ｌ＝ｋ3（ｄ0 ・Ｐ0 1/2・ｔ）1/2 …(3) となる（ｋ3は定数）。図６に示すように、噴霧先端到
達距離Ｌの中で主に燃料液滴で構成される液滴長さＬ′
は、実験による観察結果によると、本願の仕様の範囲内
では（４）式で表されることが確認された（ｋ4、ｋ5は
定数）。
【００２１】 Ｌ′＝ｋ4・Ｌ・ｄ0 1/2＝ｋ5（Ｐ0 1/2・ｔ）1/2・ｄ0 …(4) 従って、噴霧先端到達距離Ｌがｄ0 1/2に比例するのに対
して、液滴長さＬ′はｄ0 に比例する。この理由は、液
滴長さＬ′は、ノズル噴孔の径変化による貫徹力の他
に、噴孔径による燃料粒子の微粒化の効果も受け、ノズ
ル噴孔径に対して相乗的に影響を受けるためである。
して、液滴長さＬ′はｄ0 に比例する。この理由は、液
滴長さＬ′は、ノズル噴孔の径変化による貫徹力の他
に、噴孔径による燃料粒子の微粒化の効果も受け、ノズ
ル噴孔径に対して相乗的に影響を受けるためである。
【００２２】図７は、上記の考え方をベースに、第一段
燃焼室の容積割合を４０〜６０％ととし、圧縮比を１
５．５〜１７．５の条件で燃料噴射圧力、第一段燃焼室
径に対して噴霧が壁面に到達する前にガス化させるため
の最適な主インジェクタ６の燃料噴射ノズル噴孔径の関
係を示している。これによれば、燃料噴射圧力１５０〜
２５０ＭＰａ、第一段燃焼室径５０〜８０ｍｍに対し
て、最適な噴孔径は０．０７〜０．１５ｍｍであればよ
いことが分かる。
燃焼室の容積割合を４０〜６０％ととし、圧縮比を１
５．５〜１７．５の条件で燃料噴射圧力、第一段燃焼室
径に対して噴霧が壁面に到達する前にガス化させるため
の最適な主インジェクタ６の燃料噴射ノズル噴孔径の関
係を示している。これによれば、燃料噴射圧力１５０〜
２５０ＭＰａ、第一段燃焼室径５０〜８０ｍｍに対し
て、最適な噴孔径は０．０７〜０．１５ｍｍであればよ
いことが分かる。
【００２３】また、噴孔数に関しては、混合時間を十分
にとるため総噴孔面積を小さく保つように噴孔数を少な
くする。但し、隣り合う噴霧との相互作用で壁面衝突後
の噴霧を円滑に燃焼室中心部に方向転換させる必要があ
るため、噴孔数は６〜８が好ましい。
にとるため総噴孔面積を小さく保つように噴孔数を少な
くする。但し、隣り合う噴霧との相互作用で壁面衝突後
の噴霧を円滑に燃焼室中心部に方向転換させる必要があ
るため、噴孔数は６〜８が好ましい。
【００２４】以上の説明から明らかなように、本発明
は、第一段燃焼室と第二段燃焼室を有し、第一段燃焼室
の容積割合を４０〜６０％、圧縮比を１５．５〜１７．
５とし、インジェクタにより第一段燃焼室に燃料を噴射
する二段燃焼方式の直接噴射式ディーゼル機関におい
て、第一段目の燃焼において完全に近い均一混合気の生
成を以下の構成によって実現する。
は、第一段燃焼室と第二段燃焼室を有し、第一段燃焼室
の容積割合を４０〜６０％、圧縮比を１５．５〜１７．
５とし、インジェクタにより第一段燃焼室に燃料を噴射
する二段燃焼方式の直接噴射式ディーゼル機関におい
て、第一段目の燃焼において完全に近い均一混合気の生
成を以下の構成によって実現する。
【００２５】（１）燃料噴射圧力は、先に噴射した燃料
を再び燃料噴霧中に取り込むために、ガス導入効果の大
きい１５０〜２５０ＭＰａの超高圧の噴射エネルギーを
使用する。
を再び燃料噴霧中に取り込むために、ガス導入効果の大
きい１５０〜２５０ＭＰａの超高圧の噴射エネルギーを
使用する。
【００２６】（２）第一段燃焼室の形状は、燃焼室を小
径化することにより同一圧縮比で燃焼室深さを大きくと
れ、深さ方向の形状によって噴霧を中心部に戻す作用を
もたせるために、５０〜８０ｍｍ径の小径深皿燃焼室を
採用する。
径化することにより同一圧縮比で燃焼室深さを大きくと
れ、深さ方向の形状によって噴霧を中心部に戻す作用を
もたせるために、５０〜８０ｍｍ径の小径深皿燃焼室を
採用する。
【００２７】（３）噴孔径は、燃料の微粒化、短時間で
の蒸発と混合気形成のために、０．０７〜０．１５ｍｍ
の小噴孔径とする。
の蒸発と混合気形成のために、０．０７〜０．１５ｍｍ
の小噴孔径とする。
【００２８】（４）噴孔数は、混合時間を十分にとり、
かつ噴霧を燃焼室中心部に方向転換させるために、６〜
８個とする。
かつ噴霧を燃焼室中心部に方向転換させるために、６〜
８個とする。
【００２９】以上の構成に加えて、着火遅れ時間を増加
させて混合時間を稼ぐ目的から低セタン価燃料を使用す
るようにしてもよい。
させて混合時間を稼ぐ目的から低セタン価燃料を使用す
るようにしてもよい。
【００３０】図８は、本発明における第一段燃焼室の変
形例を示し、図８（Ａ）はピストンの平面図、図８
（Ｂ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って矢印方向に見た
断面図である。本例においては、第一段燃焼室４の壁面
に複数の円弧状の曲面を設けて突出部１０、１１を形成
する。そして、各ノズル噴孔から噴霧される燃料が突出
部１１に衝突するようにすると共に、隣接する突出部１
１の中間に突出部１０がくるように配置する。本例によ
れば、ノズル噴孔から噴射された噴霧は、中心部の不燃
域で空気Ｄを取り込み、燃焼室４壁面の突出部１１に衝
突して円周方向に方向転換された後、更に突出部１０に
より燃焼室中心方向に円滑に方向転換されるため、混合
気Ｃは再び噴霧に再導入され全体がより均一に混合され
る。
形例を示し、図８（Ａ）はピストンの平面図、図８
（Ｂ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って矢印方向に見た
断面図である。本例においては、第一段燃焼室４の壁面
に複数の円弧状の曲面を設けて突出部１０、１１を形成
する。そして、各ノズル噴孔から噴霧される燃料が突出
部１１に衝突するようにすると共に、隣接する突出部１
１の中間に突出部１０がくるように配置する。本例によ
れば、ノズル噴孔から噴射された噴霧は、中心部の不燃
域で空気Ｄを取り込み、燃焼室４壁面の突出部１１に衝
突して円周方向に方向転換された後、更に突出部１０に
より燃焼室中心方向に円滑に方向転換されるため、混合
気Ｃは再び噴霧に再導入され全体がより均一に混合され
る。
【００３１】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、二段燃焼方式の第一段目の燃焼において、完
全に近い均一混合気を生成し、低ＮＯX 、低黒煙及び低
燃費を実現させることができる。
によれば、二段燃焼方式の第一段目の燃焼において、完
全に近い均一混合気を生成し、低ＮＯX 、低黒煙及び低
燃費を実現させることができる。
【図１】本発明の直接噴射式ディーゼル機関の１例を示
し、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面
図、図１（Ｂ）はピストンの平面図である。
し、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面
図、図１（Ｂ）はピストンの平面図である。
【図２】本発明に係わる二段燃焼のパターンを示す図で
ある。
ある。
【図３】第一段燃焼室の形状を小径深皿燃焼室とした場
合と、広径浅皿燃焼室とした場合について、燃焼室内に
レーザ光を照射し散乱光の状態から混合気及び火炎の分
布を撮影した図である。
合と、広径浅皿燃焼室とした場合について、燃焼室内に
レーザ光を照射し散乱光の状態から混合気及び火炎の分
布を撮影した図である。
【図４】図３における混合気及び火炎の分布を説明する
ための図である。
ための図である。
【図５】第一段燃焼室径に対するＮＯX とＨＣの特性図
である。
である。
【図６】噴霧先端到達距離と液滴長さを説明するための
図である。
図である。
【図７】燃料噴射圧力及び第一段燃焼室径と噴孔径の関
係を示す図である。
係を示す図である。
【図８】本発明における第一段燃焼室の変形例を示し、
図８（Ａ）はピストンの平面図、図８（Ｂ）は図８
（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って矢印方向に見た断面図であ
る。
図８（Ａ）はピストンの平面図、図８（Ｂ）は図８
（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って矢印方向に見た断面図であ
る。
【図９】空気過剰率とＮＯX 濃度との関係を示す図であ
る。
る。
【図１０】空気過剰率に対して黒煙、ＣＯ、ＣＯ2の生
成範囲を示す図である。
成範囲を示す図である。
１…シリンダ、２…ピストン、３…シリンダヘッド、４
…第一段燃焼室 ５…第二段燃焼室、６…インジェクタ
…第一段燃焼室 ５…第二段燃焼室、６…インジェクタ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成８年２月２９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１５】第一段燃焼室４の容積比を４０〜６０％と
したことについて説明する。各回転速度で一番ＮＯX が
高くなるのは共通して負荷約８０％近辺であることが知
られている。そこで、負荷８０％近辺でのＮＯX を低減
する目的から、８０％負荷での燃料噴射量のときに第一
段燃焼室の中で均一混合気を形成した場合、空気過剰率
約０．８の均一混合気を生成することとした。空気過剰
率約０．８の混合気では、図９によりλ＝１．１に対し
て十分過濃側であり低ＮＯX が実現され、図１０に示す
ように黒煙が発生するλ＝０．６５に対しても余裕があ
るからである。第１段燃焼室４の容積比が大きすぎると
形成した均一混合気がλ＝１．１に近づきＮＯX が増加
することになり、小さすぎるとλ＝０．６５に近づき黒
煙が出やすくなるからである。
したことについて説明する。各回転速度で一番ＮＯX が
高くなるのは共通して負荷約８０％近辺であることが知
られている。そこで、負荷８０％近辺でのＮＯX を低減
する目的から、８０％負荷での燃料噴射量のときに第一
段燃焼室の中で均一混合気を形成した場合、空気過剰率
約０．８の均一混合気を生成することとした。空気過剰
率約０．８の混合気では、図９によりλ＝１．１に対し
て十分過濃側であり低ＮＯX が実現され、図１０に示す
ように黒煙が発生するλ＝０．６５に対しても余裕があ
るからである。第１段燃焼室４の容積比が大きすぎると
形成した均一混合気がλ＝１．１に近づきＮＯX が増加
することになり、小さすぎるとλ＝０．６５に近づき黒
煙が出やすくなるからである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】
Claims (1)
- 【請求項１】第一段燃焼室と第二段燃焼室を有し、第一
段燃焼室の容積割合を４０〜６０％、圧縮比を１５．５
〜１７．５とし、インジェクタにより第一段燃焼室に燃
料を噴射する二段燃焼方式の直接噴射式ディーゼル機関
において、燃料噴射圧力を１５０〜２５０ＭＰａ、第一
段燃焼室径を５０〜８０ｍｍ、インジェクタの噴孔径を
０．０７〜０．１５ｍｍ、噴孔数を６〜８個としたこと
を特徴とする直接噴射式ディーゼル機関。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8038087A JPH09228838A (ja) | 1996-02-26 | 1996-02-26 | 直接噴射式ディーゼル機関 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8038087A JPH09228838A (ja) | 1996-02-26 | 1996-02-26 | 直接噴射式ディーゼル機関 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09228838A true JPH09228838A (ja) | 1997-09-02 |
Family
ID=12515703
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8038087A Pending JPH09228838A (ja) | 1996-02-26 | 1996-02-26 | 直接噴射式ディーゼル機関 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09228838A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003097274A (ja) * | 2001-09-26 | 2003-04-03 | Mazda Motor Corp | ディーゼルエンジンの燃料燃焼装置 |
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| WO2007128446A1 (de) * | 2006-05-04 | 2007-11-15 | Daimler Ag | Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine und brennkraftmaschine für ein solches verfahren |
| FR2927121A1 (fr) * | 2008-02-06 | 2009-08-07 | Renault Sas | Moteur a combustion interne comportant un bol de combustion a double cavite pour un injecteur ultrasonore |
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| JP2011001831A (ja) * | 2009-06-16 | 2011-01-06 | Nippon Soken Inc | 燃料到達距離推定装置及び燃料噴射制御装置 |
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| US9476381B2 (en) | 2012-04-13 | 2016-10-25 | Caterpillar Energy Solutions Gmbh | Piston of an internal combustion engine |
| US9670829B2 (en) | 2012-04-13 | 2017-06-06 | Caterpillar Energy Solutions Gmbh | Piston of an internal combustion engine |
-
1996
- 1996-02-26 JP JP8038087A patent/JPH09228838A/ja active Pending
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4595273B2 (ja) * | 2001-09-26 | 2010-12-08 | マツダ株式会社 | ディーゼルエンジンの燃料燃焼装置 |
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| JP2009535561A (ja) * | 2006-05-04 | 2009-10-01 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト | 内燃機関の運転方法及びこの方法用の内燃機関 |
| US7942126B2 (en) | 2006-05-04 | 2011-05-17 | Daimler Ag | Method for operating an internal combustion engine and internal combustion engine for such a method |
| FR2927121A1 (fr) * | 2008-02-06 | 2009-08-07 | Renault Sas | Moteur a combustion interne comportant un bol de combustion a double cavite pour un injecteur ultrasonore |
| WO2009101341A1 (fr) * | 2008-02-06 | 2009-08-20 | Renault S.A.S. | Moteur a combustion interne comportant un bol de combustion a double cavite pour un injecteur ultrasonore |
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| US9464593B2 (en) | 2012-04-13 | 2016-10-11 | Caterpillar Energy Solutions Gmbh | Piston of an internal combustion engine |
| US9476381B2 (en) | 2012-04-13 | 2016-10-25 | Caterpillar Energy Solutions Gmbh | Piston of an internal combustion engine |
| US9670829B2 (en) | 2012-04-13 | 2017-06-06 | Caterpillar Energy Solutions Gmbh | Piston of an internal combustion engine |
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