JPH0431653A - 直接噴射式内燃機関 - Google Patents

直接噴射式内燃機関

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JPH0431653A
JPH0431653A JP2134755A JP13475590A JPH0431653A JP H0431653 A JPH0431653 A JP H0431653A JP 2134755 A JP2134755 A JP 2134755A JP 13475590 A JP13475590 A JP 13475590A JP H0431653 A JPH0431653 A JP H0431653A
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均 稲葉
Shigeru Yoshikawa
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、排気タービン過給機及びインタークーラを備
え、ピストン上壁に形成された燃焼室に燃料噴射弁から
直接燃料を噴射する直接噴射式内燃機関に関する。
（従来の技術） 第１１図はこの種内燃機関の一般的な全体構造を示して
おり、機関の両側に給気マニホルド２１及び排気マニホ
ルド２２を備え、排気マニホルド２２に排気タービン過
給機２４のタービン部２５を接続し、コンプレッサ部２
６はインタークーラ２７を介して給気マニホルド２１に
接続している。
吸気の温度が例えば略２０℃であるとすると、過給機２
４のコンプレッサ部２６で圧縮されることにより略１０
０℃に上昇し、インタークーラ２７で４０℃〜５０℃に
冷却されて給気マニホルド２１に供給される。
従来の燃焼室としては、第９図のようなトロイダル型あ
るいは第１０図のような内周テーノく一面を有するスキ
ッシュリップ型等があり、これらの燃焼室には燃料の噴
霧を抑制する手段は講じられていない。
また従来の燃料制御噴射系は、噴射カム形状の変更によ
り第１２図に示すように噴射圧を高圧化すると、噴射初
期から急速に燃料噴射率か上昇するため、燃料弁が開く
と同時に一気に噴射量が増加する。このような状態で燃
焼させると、燃料噴射開始後、着火遅れ期間中に多量の
燃料が高圧化により微粒化され、着火時には多量の空気
と混合した燃料が一気に燃焼する。この時の燃焼場は、
空気を圧縮しての圧力及び温度か高く、かつ酸素濃度が
標準空気と同一のため、火炎温度が非常に高く、ＮＯｘ
が多く排出する。即ち燃焼初期におけるＮＯｘの排出量
が多くなるという不具合が生じる。
（発明の目的） 本発明の目的は、給気温度の低減、燃料噴射率及び噴射
圧の制御並びに燃焼室形状の工夫により、燃焼初期に生
成されるＮＯｘの低減効果を向上させ、燃焼中期以降で
は燃料噴射圧の高圧化及びバックスキッシュの渦流等に
より混合気形成を良くして、出力性能を向上させると共
に、黒煙の発生を減少させることである。
（目的を達成するための技術的手段） 上記目的を達成するために本発明は、 燃料噴射率及び燃料噴射圧を、上死点付近の燃焼初期で
抑制し、燃焼中期、後期で増大、高圧化させる燃料制御
噴射系と、 燃焼室の内周面を上端部が狭くなるような環状テーパ面
に形成すると共に下端にアール面を形成し、燃焼室の中
央部に、上端面が円錐状の上向き突起部を形成して、突
起部の周側面に突起部中心側にへこむアール面を形成し
、該アール面の下端と内周テーパ面の下端アール面とを
平面状の環状底部を介してつないで、火炎膨脹用底部空
間部を確保し、噴射初期に上記テーパ内周面に燃料を衝
突させるようにし、ピストン下降に従って噴射圧力の上
昇と共に下端空間部に渦流を生じさせるようにした燃焼
室と、 インタークーラからの給気を再度圧縮するコンプレッサ
部、該コンプレッサ部からの給気を再度冷却するアフタ
ークーラ及び該アフタークーラからの給気を膨脹させて
給気マニホルドに供給すると共に上記コンプレッサ部を
駆動するエアタービン部よりなる給気冷却システムとを
、 備えたことを特徴としている。
また出力性能を一層向上させるために、排気タビン過給
機に、低圧段過給機及びプレインタークーラを接続して
２段過給とする。
またＮＯｘの低減効果を一層向上させるために、排気の
一部を給気に再循環するＥＧＲ装置を付加する。
（作用） エアタービン等による給気冷却シス／テムにより給気温
度を０〜５℃に極力低減した状態とし、上死点付近の場
の圧力、温度の高い燃焼初期には、低噴射率及び低噴射
圧による少量噴射を行なうと共に、噴射される噴霧の一
部を内周テーパー面に当てて抑制することにより、初期
噴霧周りの局部高温火炎温度及び量を抑制する。即ち初
期燃焼を抑制し、それによりＮＯＸの生成を抑える。
ピストンの下降に従い燃料噴射圧を上昇し、火炎はテー
パ内周面から平面底部へアールを描きながら中央突起部
側へと流れ、平面底部と突起部のアール面との間に空間
内で膨脹する。この時燃焼室内へ流れる空気の流れは内
周テーパ面と中央突起部の円錐面との作用により噴霧の
衝突後の進出方向と順方向に向う。
燃焼中期以降には、高圧噴射により噴射初期の付着した
テーパー周面の燃料を飛散させ、またテーパ内周面の上
端部と中央突起部の上端部の間のしぼり部分により火炎
は急速に膨脹して燃焼室の外側へ噴出し、これにより排
気色が改善される。
（実施例） まず燃焼室の形状を説明すると、第１図は本発明を適用
した直接噴射式ディーゼル機関のスキッシュリップ型燃
焼室の断面図を示しており、この第１図において、シリ
ンダヘッド２には燃料噴射弁３が少し傾斜した状態で固
定されており、燃料噴射弁３の下端ノズル部はシリンダ
４の中心線０１から少しずれた位置に位置すると共に、
シリンダ４内に上方から臨んでいる。
ピストン１の土壁には、上記燃料噴射弁３のノズル部か
ら少しシリンダ中心側にずれた中心線０２を中心とする
円盤形の燃焼室５が上端開口状に形成されている。燃焼
室５の環状の内周面７は上端部側が狭くなるようにテー
パー状に形成されており、該テーパー内周面７の下端部
分はアール面８を介して燃焼室底壁９につながっている
。
燃焼室５の底壁９は平面状に形成されており、燃焼室５
の中央部には底壁９部分から上方に突出するきのこ形の
中央突起部１０が形成されており、該突起部１０の上端
面１０ａは燃焼室中心線０２を中心とする緩やかな円錐
状に形成されている。
中央突起部１０の上端面１０ｇはピストン１の上端面よ
りも少し低い位置に形成されている。中央突起部１０の
周側面には燃焼室中心側にへこむ環状のアール面１１が
形成されており、該アール面１１の下端部は滑らかに上
記平面状底部９につながり、両アール面８．１１と平面
状底部９とで容積の大きい火炎膨脹用底部空間部Ｓを確
保している。
燃料噴射弁３の先端ノズル部には複数の噴口が形成され
、各噴口から噴射される噴霧Ｐの仮想中心線Ａの方向は
概ね突起部上端面と平行になるように設定されており、
噴射初期においてテーパー内周面７に低圧力噴霧Ｐが衝
突するようになっている。
次に高圧噴射率制御噴射系について説明すると、噴射カ
ムのカム面の高さ及び形状等の変更により噴射率及び噴
射圧は第５図に示すように設定されている。即ち上死点
付近の噴射初期の間は噴射率及び噴射圧は共に低く抑え
られている。
噴射中期で噴射率及び噴射圧は増加し、噴射後期におい
ては高圧の噴射圧になると共に噴射率も最大になる。
第７図はディーゼル機関の全体略図を示しており、機関
２０の両側に給気マニホルド２１と排気マニホルド２２
が設けられ、排気マニホルド２２には高圧力比の排気タ
ービン過給機２４のタービン部２５が接続されている。
タービン部２５とコンプレッサ部２６の間には調節バル
ブ４１を介してＥＧＲ（排気ガス再循環）装置４２が設
けられ、少量（例えば５〜１０％程度）の排気を調節し
て給気に再循環できるようになっている。
上記過給機２４のコンプレッサ部２６には小型のインタ
ークーラ２７が接続し、該インタークラ２７はタービン
式の給気冷却システム３０を介して給気マニホルド２１
に接続している。
給気冷却システム３０内のエア経路中には、上流側から
順に、給気を再度圧縮するためのコンプレッサ部３１と
、再度冷却するためのアフタークーラ３５と、膨脹によ
り給気を極低温に下げるためのエアタービン部３２と、
外部から大気を補充できる補助給気口３７が接続されて
いる。コンプレッサ部３１とエアタービン部３２はター
ビン軸３３を介して連動連結しており、タービン部３２
によりコンプレッサ部３１を駆動するようになっている
。補助給気口３７には外部からの大気の導入のみを許す
逆止弁３８が設けられ、タービン部３２による給気の膨
脹により負圧になった時に、外部から大気を補充する。
作動を説明する。第７図においてまず給気の流れ及びそ
の温度変化について説明すると、排気タービン過給機２
４のコンブッレッサ部２６部には、外部から例えば略２
０℃の吸気が吸い込まれると共に、排気マニホルド２２
側からＥＧＲ装置４２を介して少量の排気ガスが吸い込
まれ、圧縮される。この圧縮により給気温度は略１００
℃に上昇する。またＥＧＲ装置４２内では排気ガス中の
カーボン成分は除去される。
コンプレッサ部２６で圧縮された給気はインターラ２７
で４０〜５０℃に冷却された後、給気冷却システム３０
に入る。給気冷却システム３０内ではまずコンプレッサ
部３１で再圧縮されて、略１００℃まで温度が上昇する
が、アフタークーラ３５で略４０℃に冷却され、エアタ
ービン部３２において膨脹する。それにより給気圧力が
低下すると同時に極めて低い温度（０〜５℃）にまで給
気温度は低下し２、給気マニホルド２１に供給される。
次に燃焼室内における変化を説明する。第１図のように
上死点近辺における噴射初期においては、弱い噴射圧で
噴射される燃料噴霧Ｐは、テーパ内周面７に衝突し、一
部がテーパ内周面７に付着すると共に、残りはテーパ内
周面に沿って流れ、また前述のように給気温度が極低温
になっていることにより、急激な燃焼が抑制され、ＮＯ
ｘの発生量が低下する。
第２図のようにクランク角１０°付近までピストンが下
降すると、燃料噴射圧は上昇し、火炎はテーパ内周面７
から平面状底部９へとアール面８によりアールを描き、
底部空間部（膨脹室）Ｓ内で膨脹しながら突起部１０の
アール面１１へと流れる。そして継続して噴射される噴
霧と共に底部空間部（膨脹室）Ｓで渦状の火炎流動を形
成する。
第３図（クランク角２０″付近）のように燃焼中期以降
は、高圧噴射により噴射初期の付着したテーパ内周面の
燃料を飛散させ、またテーパ内周面７の上端部と中央突
起部１０の上端部の間のしぼり部分により火炎は急速に
膨脹して強いスキッシュ流として燃焼室５の外側へ噴出
し、排気色が改善される。
第６図は排気色並びにＮＯＸの発生量の変化を示すグラ
フであり、実線で示すグラフＡＩは従来例、−点鎖線で
示すグラフＡ３は本発明による第１図の燃焼室、第８図
の高圧噴射率制御噴射系並びに第７図の給気冷却システ
ム及びＥＧＲ装置を備えた場合の変化を示している。ま
た破線で示すグラフＡ２は、グラフＡ３の上記条件から
ＥＧＲ装置を外した場合の変化を示している。
（別の実施例） （１）第４図の仮想線で示すようにＥＧＲ装置４２を給
気マニホルド２１と排気マニホルド２２の間に直接架は
渡す構造でもよい。
（２）第７図は請求項２記載の２段過給方式を適用した
例であり、高圧段用の排気タービン過給機２４に低圧段
過給機５０を付加している。両過給機２４．５０のター
ビン部５１．２５同志が排気管５５を介して接続し、コ
ンプレッサ部５２．２６同志がプレインタークーラ５３
を介して接続している。
これによると過給圧の増大により給気の圧力比を上げ、
給気冷却システム３０のエアタービン部３２の膨脹比を
増大させて、極低温の給気の流量を増大させ、出力性能
を一層向上させることができる。
また低圧段過給機５０のタービン部５１の入口にスクロ
ール切換え弁６０を取り付けて、タービン部５１に入る
排気の流通断面積を可変とすることもできる。即ちセン
サー等により、給気マニホルド２１の給気圧が低い時あ
るいは給気温度が高い時等を検知して、図示のようにス
クロール弁６０で排気管５５を半分閉じることにより、
排気の流速を上げてタービン回転を増大させ、給気量不
足を補う。
（３）第８図は２段過給方式を採用すると同時にＥＧＲ
装置４２も取り付けた例である。ＥＧＲ装置４２は低圧
段過給機５０のタービン部５１とコンプレッサ部５２の
間に取り付けられているが、仮想線で示すように給気マ
ニホルド２１と排気マニホルド２２の間に直接設けるこ
とも可能である。
（発明の効果） 以上説明したように本発明によると： （１）噴射初期においては高圧噴射率制御噴射系によっ
て噴射圧及び噴射率が低く抑えらると共に、燃焼室内に
おいて噴霧Ｐがテーパー内周面７に衝突し、しかも燃焼
の場は給気冷却システム３０によって極低温にされてい
るので、確実な着火と共に初期燃焼が抑制され、それに
よりＮＯｘの生成量を減少させることができる。
（２）ピストン１の下降に従って燃料噴射圧は上昇し、
火炎はテーパ内周面７から平面状底部９へとアール面８
によりアールを描き、底部空間部（膨脹室）Ｓ内で膨脹
しながら突起部１０のアール面１１へと流れる。そして
継続して噴射される噴霧と共に底部空間部（膨脹室）Ｓ
で渦状の火炎流動を形成する。
そして燃焼中期以降は、高圧噴射により噴射初期の付着
したテーパ内周面７の燃料を飛散させ、またテーパ内周
面７の上端部と中央突起部１０の上端部の間のしぼり部
分により火炎は急速に膨脹して強いスキッシュ流れとし
て燃焼室５の外側へ噴出し、排気色か改善される。
（３）排気タービン過給機２４に低圧段過給機５０を付
加して２段過給とすることにより、過給圧の増大により
給気の圧力比を上げ、給気冷却システム３０のエアター
ビン部３２の膨脹比を増大させることができる。従って
極低温の給気の流量を増大させ、出力性能を一層向上さ
せることができる。
（４）ＥＧＲ装置を付加することにより、酸素濃度を低
下させ、燃焼を緩慢にできるので、ＮＯｘの発生量は一
層低減する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を適用したディーゼル機関の燃焼室であ
って、噴射初期の状態を示す縦断面図、第２図〜第３図
はクランク角の増加に従った噴射状態の変化を順次示す
縦断面図、第４図はディーゼル機関の全体略図、第５図
は筒内圧、噴射圧、噴射率、平均ガス温度及び熱発生率
の変化を示すグラフ、第６図はＮＯｘの変化並びに排気
色の変化を示すグラフ、第７図は２段過給方式を採用し
たディーゼル機関の全体略図、第８図は２段過給方式及
びＥＧＲ装置を採用したディーゼル機関の全体略図、第
９図及び第１０図は従来例の燃焼室の縦断面略図、第１
１図は従来例のディーゼル機関の全体略図、第１２図は
従来の燃料制御噴射系による噴射圧及び噴射率のグラフ
である。１・・・ピストン、２・・・シリンダヘッド、
３・・・燃料噴射弁、４・・・シリンダ、５・・・燃焼
室、７・・・テーパー内周面、８・・・アール面、９・
・・平面状底部、１０・・・中央突起部、１１・・・ア
ール面、２４・・・排気タービン過給機、２７・・・イ
ンタークーラ、３０・・・給気冷却システム、３１・・
・アフタークーラ、３２・・・膨脹用エアタービン、４
２・・・ＥＧＲ装置、５０・・・低圧段過給機、５３・
・・プレインタークーラ 特許出願人　ヤンマーディーゼル株式会社図面の浄書（
内容に変更なし） 第２図 ＃会（＃システ４ 第６図 燃 胃 （０貴射ＩＩＩ寺瀧剋る軸〕 第５図 ＤＣ −りラシク角度 イ６圧ｔ８１畠克≧創曙。 第９ 図 第１Ｑ図 手続補正前（方式） １．事件の表示 平成　２年　特　許　願　第１３４７５５号２、発明の
名称 直接噴射式内燃機関 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住　所　大阪市北区茶屋町１番３２号 名　称　（６７８）ヤンマーディーゼル株式会社代表者
　代表取締役　山　岡　淳　男 ４、代理人 住　所　　大阪市北区東天１１２丁目９番４号千代田ビ
ル東館７１　（・５３０） （１）願書に最初に添付した図面を別紙の通りに浄書す
る（内容に変更なし）。 ８、添付書類の目録 図面（全図）　　　　　　　　　　　　各１通以上 ５、補正命令の日付　　（発送臼）平成２年８月２８８
６、補正の対象　　図面

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）排気タービン過給機及びインタークーラを備え、
    ピストン上壁に形成した燃焼室に燃料噴射弁から直接燃
    料を噴射する直接噴射式内燃機関において、 燃料噴射率及び燃料噴射圧を、上死点付近の燃焼初期で
    抑制し、燃焼中期、後期で増大、高圧化させる高圧噴射
    率制御噴射系と、 燃焼室の内周面を上端部が狭くなるような環状テーパ面
    に形成すると共に下端にアール面を形成し、燃焼室の中
    央部に、上端面が円錐状の上向き突起部を形成して、突
    起部の周側面に突起部中心側にへこむアール面を形成し
    、該アール面の下端と内周テーパ面の下端アール面とを
    平面状の環状底部を介してつないで、火炎膨脹用底部空
    間部を確保し、噴射初期に上記テーパ内周面に燃料を衝
    突させるようにし、ピストン下降に従って噴射圧力の上
    昇と共に下端空間部に渦流を生じさせるようにした燃焼
    室と、 前記インタークーラからの給気を再度圧縮するコンプレ
    ッサ部、該コンプレッサ部からの給気を再度冷却するア
    フタークーラ及び該アフタークーラからの給気を膨脹さ
    せて給気マニホルドに供給すると共に上記コンプレッサ
    部を駆動するエアタービン部よりなる給気冷却システム
    とを、 備えたことを特徴とする直接噴射式内燃機関。
  2. （２）請求項１記載の直接噴射式内燃機関において、排
    気タービン過給機に、低圧段過給機及びプレインターク
    ーラを接続して２段過給としたことを特徴とする直接噴
    射式内燃機関。
  3. （３）請求項１記載の直接噴射式内燃機関において、排
    気の一部を給気に再循環するＥＧＲ装置を付加したこと
    を特徴とする直接噴射式内燃機関。
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