JPH10148128A - 直噴式ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直噴式ディーゼルエンジンにおいて、燃料噴
射方向を制御して空気利用率の向上をはかる。 【解決手段】 運転条件に応じて着火遅れ期間を長くす
る予混合気燃焼モード域を設定する直噴式ディーゼルエ
ンジンにおいて、主燃焼室５にピストン冠部１５に対し
て円筒状に開口する入口部１２を形成し、燃料噴射弁７
から燃料噴霧を主燃焼室５の入口部１２に向けて噴射す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直噴式ディーゼル
エンジンの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ディーゼルエンジンの低公害化お
よび高出力化の要求が強まっており、燃焼室の形状につ
いて種々の提案がなされている。

【０００３】従来の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室
として、例えば図１５に示すようなものがある(特開昭
６３−１６２９２５号公報、参照)。

【０００４】これについて説明すると、ピストン４の冠
部１５に凹状に窪む主燃焼室５は、ピストン冠部１５に
対して円筒状に開口する入口部１２と、入口部１２に対
して凹状に窪む窪み部１３と、その底部中央から隆起す
る隆起部１４によって画成される。

【０００５】燃料噴射弁７はシリンダ中心線上に配置さ
れ、主燃焼室５の中央に臨んでいる。燃料噴射弁７は燃
料を噴射する複数の噴口を有し、各噴口から燃料噴霧を
主燃焼室５の窪み部１３に向けて放射状に噴射するよう
になっている。

【０００６】燃料噴霧の大部分が吸気流の乱れの大きい
窪み部１３に到達することにより、主燃焼室５における
拡散燃焼が促進される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特開平７−
００４２８７号公報では、運転条件に応じて着火遅れ期
間を大幅に長くし、燃料のほとんどを予混合気燃焼さ
せ、パティキュレートの発生を抑えるものが提案されて
いる。

【０００８】しかし、図１５に示す従来装置において、
燃料のほとんどを予混合気燃焼させようとする場合、燃
料噴射弁７から噴射される燃料噴霧が到達する領域が主
燃焼室５の窪み部１３に設定されているため、主燃焼室
５に生起されるガス流動により燃料噴霧が主燃焼室５に
集まり、燃料を燃焼室５の全域に分散させることができ
ず、予混合気燃焼が十分に行われない。この結果、パテ
ィキュレート排出量を十分に抑えられないという問題点
があった。

【０００９】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室におい
て、燃料噴射方向を制御して空気利用率の向上をはかる
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の直噴式
ディーゼルエンジンは、ピストンの冠部に凹状に窪む主
燃焼室と、ピストンとの間で燃焼室を画成する燃焼室天
井壁と、燃焼室天井壁に取付けられて燃料を主燃焼室に
向けて噴射する燃料噴射弁とを備え、運転条件に応じて
着火遅れ期間を長くする予混合気燃焼モード域を設定す
る直噴式ディーゼルエンジンにおいて、主燃焼室にピス
トンの冠部に対して円筒状に開口する入口部を形成し、
燃料噴射弁から燃料噴霧を主燃焼室の入口部に向けて噴
射する。

【００１１】請求項２に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンは、請求項１に記載の発明において、前記主燃焼室に
円筒状の入口部に対して凹状に窪む窪み部を形成し、予
混合気燃焼モード域外で燃料噴射弁から燃料噴霧を主燃
焼室の窪み部に向けて噴射する。

【００１２】請求項３に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンは、請求項１に記載の発明において、前記主燃焼室の
側壁を入口部に連続する円筒状に形成し、予混合気燃焼
モード域外で燃料噴射弁から燃料噴霧をピストンの冠部
に対する開口縁部から７ｍｍ下がった位置より下方の側
壁に向けて噴射する。

【００１３】請求項４に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンは、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明にお
いて、予混合気燃焼モード域で燃料噴射時期を圧縮上死
点後まで遅らせる。

【００１４】

【発明の作用および効果】請求項１に記載の直噴式ディ
ーゼルエンジンにおいて、燃料噴射弁から噴射される燃
料噴霧を主燃焼室の入口部に衝突させ、入口部に衝突し
た燃料が主燃焼室の内外に拡散する。これにより、燃料
が燃焼室の全域に分散した状態で、着火遅れ期間を大幅
に長くすると、燃料のほとんどが予混合気燃焼し、パテ
ィキュレートの発生を有効に抑えることができる。

【００１５】請求項２に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンにおいて、予混合気燃焼モード域に燃料噴射弁から燃
料噴霧を主燃焼室の入口部に向けて噴射することによ
り、燃料のほとんどが予混合気燃焼し、パティキュレー
トの発生を有効に抑えることができる。

【００１６】予混合気燃焼モード域外で燃料噴射弁から
燃料噴霧を吸気流の乱れが大きい窪み部に向けて噴射す
ることにより、主燃焼室における拡散燃焼が促進される
とともに、主燃焼室の外側に飛散する燃料量が少なくな
る。この結果、シリンダ壁の近傍で生成される未燃焼Ｈ
Ｃやパティキュレートの発生量を抑えられるとともに、
高速時等における発生トルクの落ち込みを防止できる。

【００１７】請求項３に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンにおいて、予混合気燃焼モード域に燃料噴射弁から燃
料噴霧を主燃焼室の入口部に向けて噴射することによ
り、燃料のほとんどが予混合気燃焼し、パティキュレー
トの発生を有効に抑えることができる。

【００１８】予混合気燃焼モード域外において、ピスト
ンの冠部に対する開口縁部から７ｍｍ下がった位置より
下方に位置する主燃焼室の奥部に向けて燃料噴霧を噴射
することにより、主燃焼室に生起されるガス流動によっ
て拡散燃焼が促進されるとともに、主燃焼室の外側に飛
散する燃料量が少なくなる。この結果、シリンダ壁の近
傍で生成される未燃焼ＨＣやパティキュレートの発生量
を抑えられるとともに、高速時等における発生トルクの
落ち込みを防止できる。

【００１９】請求項４に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンにおいて、予混合気燃焼モード域で着火遅れ期間を長
くする手段として、燃料噴射時期を上死点後に制御する
ことにより、着火遅れ期間を大幅に長くすることが可能
となり、燃焼のほとんどが予混合気燃焼として、パティ
キュレートの発生を有効に抑えることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。

【００２１】図３において、２１はディーゼルエンジン
本体、２３は吸気通路、２５は排気通路、２６は排気通
路２５と吸気通路２３とを連通するＥＧＲ通路、２７は
制御負圧に応動するダイアフラム式のＥＧＲ弁である。

【００２２】２８は負圧制御弁で、コントロールユニッ
ト３１からのデューティ信号に応じて負圧源からの一定
負圧を３段階に調整する。たとえば、負圧調整弁２８へ
のＯＦＦデューティ（一定周期のＯＦＦ時間割合）が最
大値で一定負圧がそのままＥＧＲ弁２７に導入されると
きは、排出ガスの５０％が還流される。これはＥＧＲ率
が１００％に相当する。ＯＦＦデューティが段階的に小
さくなると、ＥＧＲ弁２７への制御負圧の減少によりＥ
ＧＲ弁開度が小さくなってＥＧＲ流量が少なくなる。つ
まり、ＯＦＦデューティを小さくするごとにＥＧＲ率が
６０％、３０％と小さくなる。こうして得られる３段階
のＥＧＲ率は、運転条件に対して図４のように設定して
いる。

【００２３】ＥＧＲ率をエンジン２１の運転条件に応じ
て制御するため、マイコンからなるコントロールユニッ
ト３１が設けられる。コントロールユニット３１では、
アクセル開度（アクセルペダル開度）を検出するセンサ
３２、エアフローメータ３３からの信号と、後述するリ
ファレンスパルス、スケールパルスにもとづいてＥＧＲ
流量を段階的に制御する。

【００２４】ところで、ＥＧＲ率を大きくするとＮＯｘ
濃度を低減できるものの、その一方でパティキュレート
濃度が急激に上昇する傾向がある。

【００２５】これに対処するため、コントロールユニッ
ト３１では、パティキュレート濃度が上昇する可能性が
ある運転領域に対応して、燃料の噴射時期を上死点後ま
で遅らせる予混合気燃焼モード域を設定する。燃料の噴
射時期を上死点後まで遅らせることにより、噴射時期の
大幅な遅延によって吸気をより低温状態にし、予混合気
燃焼の比率を増大させ、パティキュレートの発生を抑制
する。

【００２６】ＥＧＲ率の特性（図４）と対比させて、図
５に燃料の噴射時期の特性を示すと、低回転域での中負
荷から高負荷にかけての予混合気燃焼モード域で噴射時
期を上死点後（＋４ＡＴＤＣと＋２ＡＴＤＣ）に設定す
る。図５において中回転から高回転での中高負荷域にな
ると、エンジン回転数の増加とともに噴射時期を進めて
いる。これは着火遅れの時間が一定であっても、着火遅
れクランク角度（着火遅れ時間をクランク角度に換算し
た値）がエンジン回転数の増加に比例して大きくなるの
で、どんな回転数においても着火時期をほぼ一定に保つ
ためである。

【００２７】一方、図５においてパティキュレートの発
生しない低負荷域ではパティキュレート発生を抑制する
必要がないことおよび炭化水素ＨＣの急増を抑制するこ
とのため噴射時期を高負荷域より進めている。これは、
燃焼室壁温が低くなる低負荷域で高負荷域と同じ噴射時
期にすると、着火遅れ期間が長びくことに起因して着火
時期が遅れ燃焼温度が低下するためにかえってＨＣ濃度
が大きくなるためである。

【００２８】図２において、１はシリンダブロック、２
はシリンダ、４はピストン、５はピストン４の冠部１５
に凹状に窪む主燃焼室である。

【００２９】６はシリンダヘッド、８はシリンダヘッド
６に形成された吸気ポート、９は吸気ポート８を開閉す
る吸気バルブ、１０はシリンダヘッド６に形成された排
気ポート、１１は排気ポートを開閉する排気バルブであ
る。

【００３０】シリンダヘッド１はピストン４との間で燃
焼室を画成する燃焼室天井壁を有する。燃焼室天井壁に
は主燃焼室５に燃料を放射状に噴射する燃料噴射弁７が
設置される。燃料噴射弁７はシリンダ中心線上に配置さ
れ、主燃焼室５の中央に臨んでいる。

【００３１】燃焼室天井壁には燃料噴射弁７を取り囲む
ように２本の吸気バルブ９と、２本の排気バルブ１１が
それぞれ設けられる。ピストン４が下降する吸気行程で
各吸気バルブ９が開かれるのに伴って各吸気ポート８か
らシリンダ２に空気を吸入し、この空気をピストン４で
圧縮し、ピストン４が上死点の近傍に達するときに燃料
噴射弁７から噴射される燃料を着火燃焼させる。燃焼し
たガスはピストン４が上昇する行程で各排気バルブ１１
が開かれるのに伴って各排気ポート１０に排出される。
これらの各行程が連続して繰り返される。ピストン４の
往復運動はコンロッド３を介してクランクシャフトの回
転運動に変換される。

【００３２】図１にも示すように、ピストン４の冠部１
５は、シリンダ中心線に対して直交する平面状に形成さ
れる。ピストン冠部１５は、主燃焼室５のまわりに環状
に広がり、ピストン４が上死点付近に到達するとき、シ
リンダヘッド６の燃焼室天井壁の間でシリンダ２内の空
気を圧縮して主燃焼室５に流入するスキッシュ流を生起
するスキッシュエリアを構成する。

【００３３】主燃焼室５は、ピストン冠部１５に対して
円筒状に開口する入口部１２と、入口部１２に対して凹
状に窪む窪み部１３と、その底部中央から隆起する隆起
部１４によって画成される。

【００３４】入口部１２はピストン冠部１５に開口する
主燃焼室５の側壁の上部を構成している。入口部１２は
ピストン４と同心の直円筒面状に形成される。したがっ
て、入口部１２はその断面がピストン４の冠部１５に対
して直交している。入口部１２によってピストン冠部１
５と主燃焼室５の内壁面がつくるエッジ部が削除される
ため、ピストン４の熱負荷が過大になることを防止でき
る。

【００３５】窪み部１３は主燃焼室５の側壁の下部と底
壁の外周部を構成している。窪み部１３はその断面が楕
円弧状に湾曲して形成される。窪み部１３はピストン４
と同心の環状に延びる。

【００３６】隆起部１４は主燃焼室５の底面の中央部を
構成している。隆起部１４はピストン４と同心の円錐面
状に隆起して形成される。

【００３７】燃料噴射弁７は燃料を噴射する複数の噴口
を有し、各噴口から燃料噴霧を主燃焼室５に向けて放射
状に噴射するようになっている。

【００３８】そして本発明の要旨とするところである
が、ピストン４が上死点近傍に達するとき、燃料噴射弁
７の各噴口か主燃焼室５の入口部１２を指向するように
形成し、各噴口から噴射される燃料噴霧を主燃焼室５の
入口部１２に衝突させる構成とする。

【００３９】入口部１２の高さ方向の幅は７ｍｍ程度に
設定される。燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧がピス
トン４の冠部１５に対する開口縁部から７ｍｍ下がった
位置より上方の領域に到達するようになっている。

【００４０】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００４１】ディーゼルエンジン２１の燃焼は、着火遅
れ期間に形成される予混合気が一気に燃え上がる予混合
気燃焼と、この燃焼に引き続いて起こる燃焼速度が空気
と燃料の拡散速度によって制限される拡散燃焼とからな
る。所定の予混合気燃焼モード域において、燃料噴射時
期を上死点後に制御する構成により、着火遅れ期間を大
幅に長くすることが可能となり、燃料のほとんどが予混
合気燃焼し、パティキュレートの発生を有効に抑えるこ
とができる。

【００４２】しかし、燃料噴射時期を圧縮上死点後に設
定する予混合気燃焼モード域において、燃料噴射弁７か
ら噴射される燃料噴霧が到達する領域が主燃焼室５の窪
み部１３に設定された場合、主燃焼室５に生起されるガ
ス流動により燃料噴霧が主燃焼室５に集まり、燃料を燃
焼室の全域に分散させることができず、予混合気燃焼が
十分に行われない。この結果、図６に従来例の特性とし
て示すように、予混合気燃焼モード域においてパティキ
ュレート発生量が増加する。

【００４３】本発明はこれに対処して、各噴口から噴射
される燃料噴霧を主燃焼室５の入口部１２に衝突させる
構成により、入口部１２に衝突した燃料が主燃焼室５の
内外に拡散し、燃料を燃焼室の全域に分散し、予混合気
燃焼が十分に行われる。この結果、図６に本発明の特性
を示すように、予混合気燃焼モード域において従来例に
比べてパティキュレート発生量を抑えられる。

【００４４】図７はエンジン回転数と発生トルクの関係
を示している。低速高負荷域では窪み部１３に向けて燃
料を噴射する従来例に比べて同等の発生トルクが得られ
る。しかし、高速高負荷域では従来例に比べて発生トル
クが低下するという問題点がある。これは高速高負荷域
に燃料の噴射期間が長くなり、主燃焼室５の外側に飛散
する燃料量が過大になり、出力性能が悪化するものと考
えられる。

【００４５】これに対処する他の実施形態として、図９
に示すように設定された大噴射角域１において燃料噴射
弁７から燃料噴霧を主燃焼室５の入口部１２に向けて噴
射し、小噴射角域２において燃料噴射弁７から燃料噴霧
を主燃焼室５の窪み部１３に向けて噴射する構成として
もよい。

【００４６】燃料噴射弁７は、図８に示すように、中空
の筒状ノズルボディ４１の内部にニードル４５が収装さ
れ、燃料ポンプから通路を介して圧送される燃料圧力に
応じてニードル４５が段階的にリフトして燃料噴射を行
うようになっている。

【００４７】ニードル４５の内部に燃料噴射ポンプから
圧送される燃料を図中矢印で示すようにニードル４５の
先端部に導く通孔４４が形成される。通孔４４の上端は
燃料室４６に連通し、通孔４４の下端はニードル４５の
先端面に開口している。

【００４８】ニードル４５の先端部を直円柱形に形成さ
れる一方、ノズルボディ４１にこの先端部を摺動可能に
嵌合させる円筒部５４が形成される。

【００４９】円筒部５４の途中には燃料を噴射する複数
の第一噴口４３が放射状に形成されるとともに、第一噴
口４３より上方に位置して複数の第二噴口４２が放射状
に形成される。

【００５０】各第一噴口４３のシリンダ中心線に対する
傾斜角度は、各第二噴口４２のそれより大きく設定され
る。各第一噴口４３から噴射される燃料噴霧は主燃焼室
５の入口部１２に到達する一方、各第二噴口４２から噴
射される燃料噴霧は主燃焼室５の窪み部１３に到達す
る。

【００５１】燃料ポンプから通路を介して燃料室４６に
圧送される燃料圧力が低く、ニードル４５のリフト量が
小さいと、燃料が第一噴口４３のみから噴射供給され
る。一方、燃料室４６に圧送される燃料圧力が高く、ニ
ードル４５のリフト量が大きいと、燃料が第一噴口４３
と第二噴口４２から噴射供給される。

【００５２】大噴射角域１において燃料が第一噴口４３
のみから燃料が噴射され、燃料噴霧が主燃焼室５の入口
部１２に到達する。一方、小噴射角域２において燃料が
第一噴口４３と第二噴口４２から噴射され、燃料噴霧の
大部分が主燃焼室５の窪み部１３に到達する構成とす
る。

【００５３】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００５４】大噴射角域１において燃料が第一噴口４３
のみから燃料が噴射され、燃料噴霧が主燃焼室５の入口
部１２に到達することにより、入口部１２に衝突した燃
料が主燃焼室５の内外に拡散し、燃料を燃焼室の全域に
分散させ、予混合気燃焼が十分に行われる。この結果、
図１０に本発明の特性を示すように、従来例に比べて燃
料噴射時期が遅れる予混合気燃焼モード域においてパテ
ィキュレート発生量を十分に抑えられる。

【００５５】小噴射角域２において燃料が第一噴口４３
と第二噴口４２から噴射され、燃料噴霧の大部分が吸気
流の乱れの大きい窪み部１３に到達することにより、主
燃焼室５における拡散燃焼が促進されるとともに、主燃
焼室５の外側に飛散する燃料量が少なくなる。この結
果、シリンダ壁の近傍で生成される未燃焼ＨＣやパティ
キュレートの発生量を抑えられるとともに、図１１に示
すように、高速時に従来例と同等の発生トルクが得られ
る。

【００５６】次に、図１２に示す実施形態について説明
する。なお、図１との対応部分には同一符号を付す。

【００５７】主燃焼室５は、ピストン冠部１５に対して
円筒状に開口する入口部１２と、入口部１２に連続する
円筒状に形成された側壁１７と、その底部中央から隆起
する隆起部１４によって画成される。

【００５８】入口部１２はピストン冠部１５に開口する
主燃焼室５の側壁１７の上部を構成している。入口部１
２および側壁１７はピストン４と同心の直円筒面状に形
成される。したがって、入口部１２および側壁１７はそ
の断面がピストン４の冠部１５に対して直交している。

【００５９】図９に示すように設定された大噴射角域１
において燃料噴射弁７から燃料噴霧を主燃焼室５の入口
部１２に向けて噴射し、小噴射角域２において燃料噴射
弁７から燃料噴霧をピストン冠部１５に対する開口縁部
からの距離Ｘが７ｍｍとなる位置より下方の側壁１７に
向けて噴射する構成とする。

【００６０】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００６１】大噴射角域１において、燃料噴霧が主燃焼
室５の入口部１２に到達することにより、入口部１２に
衝突した燃料が主燃焼室５の内外に拡散し、燃料を燃焼
室の全域に分散させ、予混合気燃焼が十分に行われる。
この結果、図１３に本発明の特性を示すように、大噴射
角域１では燃料噴射時期が遅れる予混合気燃焼モード域
においてパティキュレート発生量を十分に抑えられる。

【００６２】小噴射角域２において、ピストン４の冠部
１５に対する開口縁部から７ｍｍ下がった位置より下方
に位置する主燃焼室５の奥部に向けて燃料噴霧を噴射す
ることにより、主燃焼室５に生起されるガス流動によっ
て拡散燃焼が促進されるとともに、主燃焼室５の外側に
飛散する燃料量が少なくなる。この結果、シリンダ壁の
近傍で生成される未燃焼ＨＣやパティキュレートの発生
量を抑えられるとともに、図１１に示すように、高速時
に発生トルクを高められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示すピストンの断面図。

【図２】同じくエンジンの断面図。

【図３】同じくシステム図。

【図４】同じく運転条件に応じてＥＧＲ率を設定した特
性図。

【図５】同じく運転条件に応じて燃料噴射時期を設定し
た特性図。

【図６】同じく燃料噴射時期とパーティキョレート排出
量の関係を測定した特性図。

【図７】同じくエンジン回転数と発生トルクの関係を測
定した特性図。

【図８】他の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。

【図９】同じく運転条件に応じて燃料噴射角度を設定し
た特性図。

【図１０】同じく燃料噴射時期とパーティキョレート排
出量の関係を測定した特性図。

【図１１】同じくエンジン回転数と発生トルクの関係を
測定した特性図。

【図１２】さらに他の実施形態を示すピストンの断面
図。

【図１３】同じく燃料噴射時期とパーティキョレート排
出量の関係を測定した特性図。

【図１４】同じくエンジン回転数と発生トルクの関係を
測定した特性図。

【図１５】従来例を示すピストンの断面図。

【符号の説明】

４ ピストン ５ 主燃焼室 ７ 燃料噴射弁 １２ 入口部 １３ 窪み部 １５ ピストン冠部 １７ 側壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０Ｄ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストンの冠部に凹状に窪む主燃焼室と、 ピストンとの間で燃焼室を画成する燃焼室天井壁と、 燃焼室天井壁に取付けられて燃料を主燃焼室に向けて噴
   射する燃料噴射弁とを備え、 運転条件に応じて着火遅れ期間を長くする予混合気燃焼
   モード域を設定する直噴式ディーゼルエンジンにおい
   て、 主燃焼室にピストンの冠部に対して円筒状に開口する入
   口部を形成し、 燃料噴射弁から燃料噴霧を主燃焼室の入口部に向けて噴
   射することを特徴とする直噴式ディーゼルエンジン。
2. 【請求項２】前記主燃焼室に円筒状の入口部に対して凹
   状に窪む窪み部を形成し、 予混合気燃焼モード域外で燃料噴射弁から燃料噴霧を主
   燃焼室の窪み部に向けて噴射することを特徴とする請求
   項１に記載の直噴式ディーゼルエンジン。
3. 【請求項３】前記主燃焼室の側壁を入口部に連続する円
   筒状に形成し、 予混合気燃焼モード域外で燃料噴射弁から燃料噴霧をピ
   ストンの冠部に対する開口縁部から７ｍｍ下がった位置
   より下方の側壁に向けて噴射する構成としたことを特徴
   とする請求項１に記載の直噴式ディーゼルエンジン。
4. 【請求項４】予混合気燃焼モード域で燃料噴射時期を圧
   縮上死点後まで遅らせることを特徴とする請求項１から
   ３のいずれか一つに記載の直噴式ディーゼルエンジン。