JP2018193909A - 多段噴射式ディーゼルエンジン、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制することができる多段噴射式ディーゼルエンジン、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法を提供する。【解決手段】 頂面にキャビティ２０を有するピストン２と、キャビティ２０に向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタ３とを備えた多段噴射式ディーゼルエンジン１であって、キャビティ２０は、燃料噴射インジェクタ３の軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第１燃焼室２１と、第１燃焼室２１よりも小径の同心円状に形成され第１燃焼室よりも深い位置に凹設される第２燃焼室２２とを有し、燃料噴射インジェクタ３は、圧縮行程における第１噴射タイミングで第１燃焼室２１に燃料を噴射し、圧縮行程又は膨張行程における上死点近傍の第２噴射タイミングで第２燃焼室２２に燃料を噴射する。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料を複数回に分けて燃焼室内に直接噴射する多段噴射式ディーゼルエンジン、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法に関するものである。

従来、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現するためのものとして、燃料を複数回に分けて燃焼室内に直接噴射する多段噴射式のディーゼルエンジンが知られている。例えば、特開２０１４−９５９８号公報には、メイン噴射と、当該メイン噴射よりも少ない量の燃料をピストンが圧縮上死点に達する前に噴射するパイロット噴射とを行なうディーゼルエンジンが開示されている（特許文献１）。

特開２０１４−９５９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明を含め、従来の多段噴射可能な燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンにおいては、先行する燃料噴射によって生じた高温かつ低酸素な雰囲気場に、後続の燃料が噴射されるようになっている。このため、当該後続の噴射による燃料は空気と良好に混合されにくく、燃焼室内に燃料が過濃（リッチ）な領域を形成するため、スモークや未燃物質の排出量が増加してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制することができる多段噴射式ディーゼルエンジン、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法を提供することを目的としている。

本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジンは、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制するという課題を解決するために、頂面にキャビティを有するピストンと、前記キャビティに向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタとを備えた多段噴射式ディーゼルエンジンであって、前記キャビティは、前記燃料噴射インジェクタの軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第１燃焼室と、前記第１燃焼室よりも小径の同心円状に形成され前記第１燃焼室よりも深い位置に凹設される第２燃焼室とを有しており、前記燃料噴射インジェクタは、圧縮行程における第１噴射タイミングで前記第１燃焼室に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第２噴射タイミングで前記第２燃焼室に対して燃料を噴射する。

また、本発明の一態様として、第１噴射タイミングおよび第２噴射タイミングを適切に設定するという課題を解決するために、前記第１噴射タイミングは、クランク角度で上死点前４０°を超えかつ上死点前３０°未満の範囲で設定され、前記第２噴射タイミングは、クランク角度で上死点前１０°以上かつ上死点後５°未満の範囲で設定されていてもよい。

さらに、本発明の一態様として、第１噴射タイミングおよび第２噴射タイミングでの噴射量を適切に設定するという課題を解決するために、前記第１噴射タイミングでの噴射量は、前記第２噴射タイミングでの噴射量の３０〜５０％に設定されていてもよい。

また、本発明の一態様として、噴射された燃料を妨げることなく漏れなく取り込んで第１燃焼室へ導くという課題を解決するために、前記第１燃焼室の底面は外周側に向けて深くなるように傾斜されており、その傾斜角度は下記式（１）により表されていてもよい。
θ≦９０°−θinj／２ ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
θ：第１燃焼室の底面の傾斜角度［°］
θinj：燃料噴射インジェクタの噴口角［°］

さらに、本発明の一態様として、燃料がスキッシュエリアへ飛散するのを抑制して第１燃焼室内に留まらせ、混合気の希薄化を抑制し、未燃物質の排出量を低減するという課題を解決するために、前記第１燃焼室は、その内周面が凹湾曲状に形成されているとともに、その上端縁部には前記第１燃焼室の最大径よりも縮径され、前記第１噴射タイミングで噴射された前記燃料を巻き上げるための燃料巻上用返し部が設けられていてもよい。

また、本発明の一態様として、燃料を第２燃焼室へスムーズに導入するとともに、第１燃焼室へ飛散するのを抑制して第２燃焼室内に留まらせ、混合気の希薄化を抑制し、未燃物質の排出量を低減するという課題を解決するために、前記第２燃焼室は、その内周面が凹湾曲状に形成されているとともに、その上端縁部には凸湾曲状に***されて前記第２燃焼室の最大径よりも縮径され、前記第２噴射タイミングで噴射された前記燃料を前記第２燃焼室の底部へ導き入れるための燃料導入用***部が設けられていてもよい。

また、本発明に係る機械装置は、上述したいずれかの態様を有する多段噴射式ディーゼルエンジンを備えてなるものである。

また、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法は、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制するという課題を解決するために、頂面にキャビティを有するピストンと、前記キャビティに向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタとを備えた多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法であって、前記キャビティは、前記燃料噴射インジェクタの軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第１燃焼室と、前記第１燃焼室よりも小径の同心円状に形成され前記第１燃焼室よりも深い位置に凹設される第２燃焼室とを有しており、前記燃料噴射インジェクタは、圧縮行程における第１噴射タイミングで前記第１燃焼室に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第２噴射タイミングで前記第２燃焼室に対して燃料を噴射する。

本発明によれば、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制することができる。

本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジンの一実施形態を示す一部断面図である。 本実施形態のピストンを示す平面図である。 本実施形態のピストンにおいて（ａ）θ＞９０°−θinj／２の場合、および（ｂ）θ≦９０°−θinj／２の場合を示す一部拡大断面図である。 本実施形態の第１噴射タイミングにおける、多段噴射式ディーゼルエンジンの一部断面図である。 本実施形態の第２噴射タイミングにおける、多段噴射式ディーゼルエンジンの一部断面図である。 実施例１におけるシミュレーション結果を示す図である。 実施例２におけるシミュレーション結果を示す図である。 実施例３における実験結果を示すグラフである。 実施例４におけるシミュレーション結果を示す図である。 実施例５における実験結果を示すグラフである。 実施例５におけるシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法の一実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明において、機械装置とは、自動車、オートバイ、軍用車両、鉄道車両、船舶、航空機、発電機、ポンプ、建設機械、農業機械等のように、ディーゼルエンジンを動力源とする全ての機械装置を含む概念である。

本実施形態の多段噴射式ディーゼルエンジン１は、燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンによって構成されており、図１に示すように、主として、頂面にキャビティ２０を有するピストン２と、キャビティ２０に向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタ３とを備えている。以下、各構成について説明する。なお、図示しないが、多段噴射式ディーゼルエンジン１は、吸入する空気圧を高める過給装置や、燃焼後の排気ガスの一部を再度吸気させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気再循環）システム等を別途備えている。

ピストン２は、シリンダ４内を往復動する略円柱形状に形成されており、その頂面には燃焼室として機能する凹状のキャビティ２０が設けられている。本実施形態において、キャビティ２０は、図１および図２に示すように、燃料噴射インジェクタ３から噴射される燃料を別々の空間に分割するための第１燃焼室２１および第２燃焼室２２を備えている。

第１燃焼室２１は、後述する第１噴射タイミングで噴射された燃料を燃焼させるための空間である。具体的には、図１および図２に示すように、第１燃焼室２１は、燃料噴射インジェクタ３の軸心に関して平面視で略円形状に凹設されている。また、本実施形態では、図１に示すように、第１燃焼室２１の底面は外周側に向けて深くなるように傾斜されている。

当該傾斜角度は、図３（ａ）に示すように、燃料の噴射角度よりも大きい場合、第１噴射タイミングで噴射された燃料が第１燃焼室２１に到達し難くなり、第２燃焼室２２に分配され易くなるおそれがある。よって、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、噴射された燃料を漏れなく第１燃焼室２１へ導き易くするために、第１燃焼室２１の底面の傾斜角度は下記式（１）により表される角度に設定されている。
θ≦９０°−θinj／２ ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
θ：第１燃焼室２１の底面の傾斜角度［°］
θinj：燃料噴射インジェクタ３の噴口角［°］

また、本実施形態では、図１および図３に示すように、第１燃焼室２１は、その内周面が断面視で凹湾曲状に形成されている。そして、第１燃焼室２１の上端縁部には、第１燃焼室２１の最大径よりも縮径され、第１噴射タイミングで噴射された燃料をシリンダ４ヘッド側へ巻き上げるための燃料巻上用返し部２３が設けられている。この燃料巻上用返し部２３によって、シリンダヘッドとピストン２との間に形成されるスキッシュエリアに燃料が拡散しにくくなり、第１燃焼室２１内に燃料が留まり易くなる。

第２燃焼室２２は、後述する第２噴射タイミングで噴射された燃料を燃焼させるための空間である。具体的には、図１および図２に示すように、第２燃焼室２２は、平面視において、第１燃焼室２１よりも小径の同心円状に形成され、第１燃焼室２１よりも深い位置に凹設されている。また、第２燃焼室２２の中心は、リエントラント型燃焼室と同様、略円錐形状に***されており、渦輪を発生させて燃焼効率を向上するようになっている。

また、本実施形態では、図１および図３に示すように、第２燃焼室２２は、その内周面が断面視で凹湾曲状に形成されている。そして、第２燃焼室２２の上端縁部には凸湾曲状に***されて第２燃焼室２２の最大径よりも縮径され、第２噴射タイミングで噴射された燃料を第２燃焼室２２の底部へ導き入れるための燃料導入用***部２４が設けられている。この燃料導入用***部２４に衝突した燃料は、内周面に沿って下方へと渦を巻きながら第２燃焼室２２内へとスムーズに導入される。

さらに、本実施形態において、第１燃焼室２１および第２燃焼室２２の容積は、圧縮比が１４以上１６以下となるように設定されている。圧縮比が小さいほど理論熱効率が低下し、実際に取り出せる仕事も低減する。このため、圧縮比を１４以上に設定することで、熱効率の低下が必要最小限に抑制される。一方、圧縮比が高いほど燃料が早く着火し、空気との混合が促進されない。このため、圧縮比を１６以下に設定することで、燃料と空気との混合が促進される。

つぎに、燃料噴射インジェクタ３は、キャビティ２０に向けて燃料を多段噴射するためのものである。本実施形態において、燃料噴射インジェクタ３は、図１に示すように、その軸心がピストン２の軸心と一致されている。また、燃料噴射インジェクタ３は、いわゆるコモンレールシステムの一部として実装されており、図示しないエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）によって、燃料の噴射量や噴射タイミングが制御されるようになっている。

また、本実施形態において、燃料噴射インジェクタ３は、エンジンコントロールユニットによる制御のもと、圧縮行程における第１噴射タイミングで第１燃焼室２１に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第２噴射タイミングで第２燃焼室２２に対して燃料を噴射するようになっている。

ここで、第１噴射タイミングの時期が早過ぎると、燃料が第１燃焼室２１ではなく、スキッシュエリアに直接導入されるため、未燃物質の排出量が増大する。一方、第１噴射タイミングの時期が遅過ぎると、燃料の一部が第２燃焼室２２にも導入されて高温かつ低酸素な雰囲気場が形成されるため、第２噴射タイミングの燃焼においてスモークの排出量が増大する。また、第２噴射タイミングの時期が早過ぎたり遅過ぎたりすると、第１噴射タイミングの燃焼で高温かつ低酸素な雰囲気場となっている第１燃焼室２１に燃料の一部が導入され、スモークの排出量が増大する。

よって、第１噴射タイミングおよび第２噴射タイミングについては、後述する実施例２，４における数値シミュレーションの結果に基づいて、好適なタイミングを特定した。具体的には、第１噴射タイミングは、クランク角度で上死点前４０°を超えかつ上死点前３０°未満の範囲で設定することが好ましく、クランク角度で上死点前３５°が最も好ましい。また、第２噴射タイミングは、クランク角度で上死点前１０°以上かつ上死点後５°未満の範囲で設定することが好ましく、クランク角度で上死点前５°が最も好ましい。

また、本実施形態において、第１噴射タイミングでの燃料の噴射量（第１噴射量）と、第２噴射タイミングでの燃料の噴射量（第２噴射量）との割合は、スモークの排出量、騒音および熱効率等の観点から以下のように設定されている。

具体的には、スモークは主に第２噴射タイミングでの燃焼から排出される。このため、第２噴射量を増加させ、第１噴射量を相対的に減少させると、スモークの排出量が増加する。よって、第１噴射量を第２噴射量の３０％以上に確保すれば、スモークの排出量が抑制される。また、第２燃焼室２２での後燃え期間（大きな燃焼後もだらだらと残りの燃料が燃焼を続ける状態）が増大せず、等容度の低下が抑制されるため熱効率の低下が防止される。

一方、第１噴射量を増加させ、第２噴射量を相対的に減少させると、第１噴射タイミングでの燃焼が急峻となり騒音が悪化する。このため、第１噴射量を第２噴射量の５０％以下に抑制すれば、第１燃焼室２１での燃焼が穏やかとなり騒音が低減する。以上より、第１噴射量は、第２噴射量の３０〜５０％に設定することが好ましいといえる。

また、本実施形態では、多段噴射式ディーゼルエンジン１の１動作（吸入行程・圧縮行程・膨張行程・排気行程）につき、燃料を２回噴射する方式を採用しているが、本発明の作用効果を奏する範囲において、１動作につき３回以上で多段噴射してもよい。例えば、第３噴射タイミングとして、膨張行程におけるクランク角度で上死点後３０°あたりに設定し、再度、第１燃焼室２１に対して噴射してもよい。これにより、燃え残った燃料を燃焼させたり、排気管へ燃料を送って、ディーゼル微粒子捕集フィルター（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）に堆積したススを燃焼させられる可能性がある。

つぎに、本実施形態の多段噴射式ディーゼルエンジン１、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジン１の制御方法の作用について説明する。

まず、本実施形態の多段噴射式ディーゼルエンジン１においては、燃料噴射インジェクタ３が、図４に示すように、圧縮行程における第１噴射タイミングで第１燃焼室２１に対して燃料を噴射する。これにより、当該燃料は第１燃焼室２１内の空気を取り込み、混合気を形成する。また、第１燃焼室２１では、外周側に向けて深くなるように傾斜された底面が、噴射された燃料を漏れなく取り込んで第１燃焼室２１へ導く。さらに、第１燃焼室２１の上端縁部に設けられた燃料巻上用返し部２３が、スキッシュエリアへ燃料が飛散するのを抑制し、大部分の燃料が第１燃焼室２１内に留まる。これにより、混合気の希薄化が抑制されるため、未燃物質の排出量が低減する。

第１噴射タイミングの後、圧縮行程における圧縮が進むにつれて、第１燃焼室２１内の混合気が着火して燃焼する。このとき、第２燃焼室２２は、第１燃焼室２１とは空間的に分割されているため燃料がほとんど導入されていない。このため、第２燃焼室２２では、燃料の燃焼によって生じる高温かつ低酸素な雰囲気場が形成されることがなく、第２噴射タイミングの燃焼に必要な空気が豊富に残存する。

つづいて、燃料噴射インジェクタ３が、図５に示すように、上死点近傍における第２噴射タイミングで第２燃焼室２２に対して燃料を噴射する。これにより、当該燃料は第２燃焼室２２内の空気を取り込みながら燃焼する。このとき、第２燃焼室２２に噴射された燃料は、第１噴射タイミングの燃焼によって第１燃焼室２１に生じた高温かつ低酸素な雰囲気場との干渉が回避される。このため、空気が豊富に存在する第２燃焼室２２では、燃料が過濃（リッチ）な領域が形成されにくく、スモークの排出量が低減する。

また、本実施形態では、第２燃焼室２２の上端縁部に***された燃料導入用***部２４が、噴射された燃料を第２燃焼室２２にスムーズに導き入れるとともに、第１燃焼室２１へ飛散するのを抑制する。このため、大部分の燃料が第２燃焼室２２内に留まり、混合気の希薄化が抑制されるため、未燃物質の排出量が低減する。さらに、第２燃焼室２２の中心部が、略円錐形状に***されているため、噴射に伴って第２燃焼室２２内に渦輪を発生させ燃焼効率を向上する。

さらに、本実施形態では、第１噴射量が第２噴射量の３０〜５０％に設定されている。このため、スモークの排出量が抑制されるとともに、熱効率の低下が防止され、騒音が低減する。また、本実施形態では、圧縮比が１４以上１６以下となるように、第１燃焼室２１および第２燃焼室２２の容積が設定されている。このため、熱効率の低下が必要最小限に抑制されるとともに、燃料と空気との混合が促進される。

以上のとおり、本発明においては、複数回に分けて噴射される燃料を二つの燃焼室（第１燃焼室２１および第２燃焼室２２）によって空間的に分割し、各燃焼室のそれぞれで別個独立に燃焼を生じさせる。これにより、先行する燃焼で生じた高温かつ低酸素な雰囲気場と、後続して噴射される燃料との干渉が回避され、各燃焼室における空気の利用率が促進されるため、スモークの排出量が低減する。

また、本発明においては、多段噴射式ディーゼルエンジン１の１動作（吸入行程・圧縮行程・膨張行程・排気行程）につき、燃料を複数回に分けて多段噴射する。このため、従来の多段噴射によって燃焼を行うディーゼルエンジンと同様、熱効率が向上するとともに、燃焼音が低減する。

以上のような本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン１、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジン１の制御方法によれば、以下のような効果を奏する。
１．熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制することができる。
２．第１噴射タイミングおよび第２噴射タイミングを適切に設定することで、上記１の効果を高めることができる。
３．第１噴射タイミングおよび第２噴射タイミングでの噴射量を適切に設定することで、スモークの排出量を抑制するとともに熱効率の低下を防止し、騒音を低減することができる。
４．第１燃焼室２１の傾斜された底面によって、噴射された燃料を妨げることなく漏れなく取り込んで第１燃焼室２１へ導くことができる。
５．燃料巻上用返し部２３によって、燃料がスキッシュエリアへ飛散するのを抑制して第１燃焼室２１内に留まらせ、混合気の希薄化を抑制し、未燃物質の排出量を低減することができる。
６．燃料導入用***部２４によって、燃料を第２燃焼室２２へスムーズに導入するとともに、第１燃焼室２１へ飛散するのを抑制して第２燃焼室２２内に留まらせ、混合気の希薄化を抑制し、未燃物質の排出量を低減することができる。

つぎに、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン１、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジン１の制御方法の具体的な実施例について説明する。

本実施例１では、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン１の作用効果を確認するための数値シミュレーションを行った。

具体的には、上述した本実施形態のピストン２を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン１において、第１噴射タイミングをクランク角度で上死点前３５°（-35°CA ATDC）に設定し、第２噴射タイミングを上死点（0°CA ATDC）に設定した際における、シリンダ４内の気相当量比の分布をクランク角度で５°おきに算出した。なお、ＣＡはクランク角度（Crank Angle）であり、ＡＴＤＣは上死点後（After Top Dead Center）を意味する。

また、比較例として、燃焼室が一つだけの従来型ピストンを備えたディーゼルエンジンにおいて、第１噴射タイミングおよび第２噴射タイミングを同様に設定し、シリンダ内の気相当量比の分布を算出した。その結果を図６に示す。なお、気相当量比とは、混合気内の空気と燃料の質量比を示すものであり、数値が大きいほど混合気内の燃料が多いことを表すものである。

図６に示すように、本実施例１の多段噴射式ディーゼルエンジン１では、第１噴射タイミングで噴射された燃料のほとんどが、第１燃焼室２１内で混合気を形成している。このため、当該第１燃焼室２１内では混合気の希薄化が抑制されるため、未燃物質の排出量が低減するものと推測される。また、第２噴射タイミングで噴射された燃料のほとんどが第２燃焼室２２内に導入され、高温かつ低酸素な雰囲気場（第１燃焼室２１）との干渉が回避されている。このため、第２燃焼室２２内では、燃料が空気と良好に混合されるため、スモークの排出量が低減するものと推測される。

これに対し、比較例のディーゼルエンジンでは、第１噴射タイミングで噴射された燃料がスキッシュエリアにも進入し、混合気を形成している。このため、比較例の燃焼室では、混合気の希薄化により多量の未燃物質が排出され、熱効率の低下が懸念される。また、第２噴射タイミングでは、第１噴射タイミングによって生じた高温かつ低酸素な雰囲気場に、燃料が噴射されている。このため、第２噴射タイミングでの燃料は空気と混合されにくく、燃焼室内に過濃な領域を形成するため、スモークの排出量が増加するものと推測される。

以上の本実施例１によれば、本実施形態のピストン２を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン１は、燃料を空間的に分割する二つの燃焼室によって、各燃焼室における空気の利用率を促進し、スモークや未燃物質の排出量を抑制することができることが示された。

本実施例２では、本発明に係る第１噴射タイミングの好適な範囲を特定するための数値シミュレーションを行った。

具体的には、上述した本実施形態のピストン２を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン１において、第２噴射タイミングは固定しつつ、第１噴射タイミングを異ならせた４つのケースを設定した。そして、各ケースについて、上述した本実施形態の制御方法に従って多段燃焼させた場合における、シリンダ４内の気相当量比の分布をクランク角度で５°おきに算出した。その結果を図７に示す。

なお、第１噴射タイミングとしては、クランク角度で、上死点前４０°（-40°CA ATDC）、上死点前３５°（-35°CA ATDC）、上死点前３０°（-30°CA ATDC）および上死点前２５°（-25°CA ATDC）の４種類とした。また、第２噴射タイミングは、いずれのケースにおいても上死点（0°CA ATDC）とした。

図７に示すように、第１噴射タイミングが上死点前４０°の場合、噴射された燃料のほとんどが第１燃焼室２１ではなくスキッシュエリアに進入し、シリンダ壁の近傍で当量比の低い希薄な混合気が形成されている。このため、当該希薄な混合気では良好な燃焼が得られず、未燃物質が大量に排出されてしまうことが推測される。

一方、第１噴射タイミングが上死点前３０°および上死点前２５°の場合、噴射された燃料が第１燃焼室２１のみならず第２燃焼室２２にも進入している。このため、第２燃焼室２２内においても燃焼が発生し、高温かつ低酸素な雰囲気場が形成されることとなる。よって、後続の第２噴射タイミングの燃焼において、スモークの排出量が増大してしまうことが推測される。

この点、第１噴射タイミングが上死点前３５°の場合、図７に示すように、噴射された燃料のほとんどが第１燃焼室２１に進入して留まり、適度な混合気を形成していることがわかる。よって、以上の本実施例２によれば、本発明に係る第１噴射タイミングとしては、クランク角度で上死点前４０°を超えかつ上死点前３０°未満の範囲で設定することが好ましく、クランク角度で上死点前３５°が最も好ましいことが示された。この第１噴射タイミングによれば、噴射された燃料が燃料導入用***部２４の上面側に吹き付けられることとなる。

つぎに、本実施例３では、実機エンジンを用いて、第１噴射タイミングの好適な範囲を確認する実験を行った。

具体的には、本実施形態のピストン２を取り付けた実際の多段噴射式ディーゼルエンジン１を用いて、第１噴射タイミングを異ならせた４つのケースについて試験運転した。そして、各ケースについて、一酸化炭素（ＣＯ）の排出量、スモークの排出量、未燃炭化水素（ＴＨＣ）の排出量および図示熱効率の４項目を測定した。

また、比較例として、燃焼室が一つだけの従来型ピストンを取り付けたディーゼルエンジンを用いて、同様の第１噴射タイミングで試験運転し、上記４項目を測定した。その結果を図８に示す。なお、第１噴射タイミングとしては、クランク角度で、上死点前４０°（-40°CA ATDC）、上死点前３５°（-35°CA ATDC）、上死点前３０°（-30°CA ATDC）および上死点前２５°（-25°CA ATDC）の４種類とした。

図８に示すように、本実施例３では、第１噴射タイミングが実施例２で特定した最適なタイミングである上死点前３５°の場合、スモークの排出量のみならず、一酸化炭素および未燃炭化水素の排出量も大幅に低減し、図示熱効率が高くなっている。これに対し、比較例では、第１噴射タイミングが上死点前３５°の場合、スモークの排出量は低減するものの、一酸化炭素および未燃炭化水素は多量に排出されており、図示熱効率も大幅に低下している。

また、本実施例３においては、第１噴射タイミングが最適なタイミング（上死点前３５°）から外れるに従って、一酸化炭素、スモークおよび未燃炭化水素の排出量が増大傾向となり、図示熱効率は低下傾向となっている。これは、第１噴射タイミングでの燃焼により生じた高温かつ低酸素な雰囲気場に、第２噴射タイミングによる燃料が進入していることに起因するものと考えられる。

以上の本実施例３によれば、本実施形態のピストン２を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン１は、従来型のピストンを備えたディーゼルエンジンと比較して、燃料の噴射タイミングを適切に設定することで、燃料が空間的に分割され、高い熱効率を保持したまま、一酸化炭素、スモークおよび未燃炭化水素の排出量を抑制できることが実証された。

本実施例４では、本発明に係る第２噴射タイミングの好適な範囲を特定するための数値シミュレーションを行った。

具体的には、上述した本実施形態のピストン２を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン１において、第１噴射タイミングは固定しつつ、第２噴射タイミングを異ならせた５つのケースを設定した。そして、各ケースについて、上述した本実施形態の制御方法に従って多段燃焼させた場合における、シリンダ４内の気相当量比の分布をクランク角度で２．５°おきに算出した。その結果を図９に示す。

なお、第１噴射タイミングは、いずれのケースにおいてもクランク角度で上死点前３５°（-35°CA ATDC）に設定した。また、第２噴射タイミングとしては、クランク角度で、上死点前１０°（-10°CA ATDC）、上死点前５°（-5°CA ATDC）、上死点（0°CA ATDC）、上死点後５°（5°CA ATDC）および上死点後１０°（10°CA ATDC）の５種類とした。

上述したとおり、第２噴射タイミングは、燃料の大部分が第２燃焼室２２に進入するように定めることでスモークの低減効果が得られる。この点、第２噴射タイミングが上死点後５°および上死点後１０°の場合、図９に示すように、第１燃焼室２１内に気相当量比の濃い混合気が形成されている。特に、上死点後１０°の場合には、半分近い量の燃料が第１燃焼室２１へ進入しているため、スモークの排出量が大幅に増大するものと推測される。

一方、図９に示すように、第２噴射タイミングが上死点前１０°から上死点０°までの範囲では、第２噴射タイミングでの燃料が第１燃焼室２１内にあまり進入していない。特に、上死点前５°の場合に最も第２燃焼室２２に導入されており、燃料が空間的に分配されている。すなわち、第１噴射タイミングでの燃焼によって高温かつ低酸素な雰囲気場となっている第１燃焼室２１内に第２噴射タイミングでの燃料が進入しておらず、酸素が残存している第２燃焼室２２内に導入されているため、スモークの排出量が大幅に低減することが推測される。

よって、以上の本実施例４によれば、本発明に係る第２噴射タイミングとしては、クランク角度で上死点前１０°以上かつ上死点後５°未満の範囲で設定することが好ましく、クランク角度で上死点前５°が最も好ましいことが示された。この第２噴射タイミングによれば、噴射された燃料が燃料導入用***部２４の下面側に吹き付けられることとなる。

つぎに、本実施例５では、実機エンジンを用いて、第２噴射タイミングの好適な範囲を確認する実験を行った。

具体的には、本実施形態のピストン２を取り付けた実際の多段噴射式ディーゼルエンジン１を用いて、第２噴射タイミングを異ならせた３つのケースについて試験運転した。そして、各ケースについて、スモークの排出量を測定した。その結果を図１０に示す。なお、第２噴射タイミングとしては、クランク角度で、上死点前５°（-5°CA ATDC）、上死点０°（0°CA ATDC）および上死点後５°（5°CA ATDC）の３種類とした。

図１０に示すように、スモークの排出量は、第２噴射タイミングが実施例４で特定した最適なタイミングである上死点前５°の場合に、最も低減されている。そして、この結果は、実施例４での数値シミュレーション結果と対応している。また、実験はしていないが、実施例４の結果より、第２噴射タイミングを上死点後１０°とした場合、上死点後５°よりもスモークの排出量が増大するものと推測される。

また、本実施例５において、第１噴射タイミングを上死点前３５°に設定した際の上死点前５°および上死点０°（TDC：Top Dead Center）におけるシリンダ４内の温度分布を図１１に示す。この温度環境は、第１噴射タイミングでの燃焼によって生じたものであるが、高温領域は第１燃焼室２１側に集中している。

一方、上述したとおり、スモークは第１噴射タイミングでの燃焼によって生じた高温かつ低酸素な雰囲気場に、第２噴射タイミングで噴射された燃料が進入することで生成される。この点、図９を参照すると、第２噴射タイミングが上死点前１０°および上死点前５°の場合に、噴射された燃料が第１燃焼室２１とは干渉しにくい位置関係となっている。よって、第２噴射タイミングを上死点前１０°とした場合におけるスモークの排出量は、上死点前５°の場合と大きな差はないと考えられる。

以上の本実施例５によれば、本実施形態のピストン２を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン１において、第２噴射タイミングを上死点近傍で行う際、できるだけ第１燃焼室２１へ進入する燃料が少なくなるように、噴射タイミングを定めることでスモークの排出量が低減されるため、有効であることが示された。

なお、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン１、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジン１の制御方法は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

１ 多段噴射式ディーゼルエンジン
２ ピストン
３ 燃料噴射インジェクタ
４ シリンダ
２０ キャビティ
２１ 第１燃焼室
２２ 第２燃焼室
２３ 燃料巻上用返し部
２４ 燃料導入用***部

Claims (10)

1. 頂面にキャビティを有するピストンと、前記キャビティに向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタとを備えた多段噴射式ディーゼルエンジンであって、
   前記キャビティは、前記燃料噴射インジェクタの軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第１燃焼室と、前記第１燃焼室よりも小径の同心円状に形成され前記第１燃焼室よりも深い位置に凹設される第２燃焼室とを有しており、
   前記燃料噴射インジェクタは、圧縮行程における第１噴射タイミングで前記第１燃焼室に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第２噴射タイミングで前記第２燃焼室に対して燃料を噴射する、多段噴射式ディーゼルエンジン。
2. 前記第１噴射タイミングは、クランク角度で上死点前４０°を超えかつ上死点前３０°未満の範囲で設定され、前記第２噴射タイミングは、クランク角度で上死点前１０°以上かつ上死点後５°未満の範囲で設定されている、請求項１に記載の多段噴射式ディーゼルエンジン。
3. 前記第１噴射タイミングでの噴射量は、前記第２噴射タイミングでの噴射量の３０〜５０％に設定されている、請求項１または請求項２に記載の多段噴射式ディーゼルエンジン。
4. 前記第１燃焼室の底面は外周側に向けて深くなるように傾斜されており、その傾斜角度は下記式（１）により表される、請求項１から請求項３のいずれかに記載の多段噴射式ディーゼルエンジン；
   θ≦９０°−θinj／２ ・・・式（１）
   ただし、各符号は以下を表す。
   θ：第１燃焼室の底面の傾斜角度［°］
   θinj：燃料噴射インジェクタの噴口角［°］
5. 前記第１燃焼室は、その内周面が凹湾曲状に形成されているとともに、その上端縁部には前記第１燃焼室の最大径よりも縮径され、前記第１噴射タイミングで噴射された前記燃料を巻き上げるための燃料巻上用返し部が設けられている、請求項１から請求項４のいずれかに記載の多段噴射式ディーゼルエンジン。
6. 前記第２燃焼室は、その内周面が凹湾曲状に形成されているとともに、その上端縁部には凸湾曲状に***されて前記第２燃焼室の最大径よりも縮径され、前記第２噴射タイミングで噴射された前記燃料を前記第２燃焼室の底部へ導き入れるための燃料導入用***部が設けられている、請求項１から請求項５のいずれかに記載の多段噴射式ディーゼルエンジン。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の多段噴射式ディーゼルエンジンを備えてなる機械装置。
8. 頂面にキャビティを有するピストンと、前記キャビティに向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタとを備えた多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法であって、
   前記キャビティは、前記燃料噴射インジェクタの軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第１燃焼室と、前記第１燃焼室よりも小径の同心円状に形成され前記第１燃焼室よりも深い位置に凹設される第２燃焼室とを有しており、
   前記燃料噴射インジェクタは、圧縮行程における第１噴射タイミングで前記第１燃焼室に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第２噴射タイミングで前記第２燃焼室に対して燃料を噴射する、多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法。
9. 前記第１噴射タイミングは、クランク角度で上死点前４０°を超えかつ上死点前３０°未満の範囲で設定され、前記第２噴射タイミングは、クランク角度で上死点前１０°以上かつ上死点後５°未満の範囲で設定されている、請求項８に記載の多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法。
10. 前記第１噴射タイミングでの噴射量は、前記第２噴射タイミングでの噴射量の３０〜５０％に設定されている、請求項８または請求項９に記載の多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法。