特許第6051754号(P6051754)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6051754
(24)【登録日】2016年12月9日
(45)【発行日】2016年12月27日
(54)【発明の名称】ディーゼルエンジン
(51)【国際特許分類】
   F02D 19/12 20060101AFI20161219BHJP
   F02B 23/06 20060101ALI20161219BHJP
   F02M 61/14 20060101ALI20161219BHJP
   F02M 61/18 20060101ALI20161219BHJP
【FI】
   F02D19/12 A
   F02B23/06 L
   F02B23/06 M
   F02M61/14 310U
   F02M61/18 360J
【請求項の数】2
【全頁数】7
(21)【出願番号】特願2012-225217(P2012-225217)
(22)【出願日】2012年10月10日
(65)【公開番号】特開2014-77391(P2014-77391A)
(43)【公開日】2014年5月1日
【審査請求日】2015年9月7日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000170
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100068021
【弁理士】
【氏名又は名称】絹谷 信雄
(72)【発明者】
【氏名】西條 克哉
【審査官】 山村 和人
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2006/092887(WO,A1)
【文献】 特開昭59−085471(JP,A)
【文献】 特表2002−501142(JP,A)
【文献】 特開2009−144629(JP,A)
【文献】 特開2003−247437(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02D 13/00 − 28/00
41/00 − 45/00
F02B 1/00 − 23/10
F02M 39/00 − 71/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2009−114888号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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。
【0007】
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。
【発明の効果】
【0008】
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。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】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。
図2】(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。
図3】(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。
図4】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。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
次に、本実施形態の作用効果を説明する。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【符号の説明】
【0033】
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
図1
図2
図3
図4