JP2019120205A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴霧が通過するダクトを燃焼室内に備えた圧縮自着火式の内燃機関において、燃焼室内の充填空気を効率よく活用して燃焼効率を高めることのできる内燃機関を提供する。【解決手段】圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関において、噴孔が燃焼室の天面の中心から燃焼室内へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が通過する中空のダクトと、を備える。噴孔は、燃料噴霧が燃焼室のボア壁面に向かって放射状に噴射されるように偶数個設けられている。そして、噴孔の数の半数個のダクトが、これらの噴孔に対して１つおきに配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、圧縮された燃焼室に燃料を直接噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１には、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料と充填空気との燃焼室での予混合を促進するための技術が開示されている。この技術では、燃焼室に露出する燃料噴射装置の先端部の開口部に近接して、中空管で構成されたダクトが設けられている。開口部から噴射された燃料は、この中空管を通して燃焼室へと噴射される。中空管の内部では、噴射された燃料が通過する過程で充填空気との予混合が促進される。これにより、燃焼室において過濃な燃料の分布が低減されるので、スモークの発生が低減される。

特表２０１７−５３０２９８号公報 特開２０１３−９２１０３号公報

上記の従来の技術では、燃料噴射装置の先端部に設けられた複数の開口部の全てに対応して複数のダクトがそれぞれ配置されている。このような構成では、開口部から噴射された燃料は、何れもダクト内を通過して燃焼室のボア壁面付近に噴射される。この場合、燃焼室のボア中心付近の充填空気を効率よく活用できず燃焼効率が低下するおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、燃料噴霧が通過するダクトを燃焼室内に備えた圧縮自着火式の内燃機関において、燃焼室内の充填空気を効率よく活用して燃焼効率を高めることのできる内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関を対象としている。内燃機関は、燃料を噴射する噴孔を有し、噴孔が燃焼室の天面の中心から燃焼室内へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、入口及び出口が燃焼室に露出するように天面に固定され、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が入口から出口へと通過する中空のダクトと、を備える。噴孔は、燃料噴霧が燃焼室のボア壁面に向かって放射状に噴射されるように偶数個設けられている。そして、ダクトは、噴孔の数の半数個設けられ、偶数個の噴孔に対して１つおきに配置されている。

また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関を対象としている。内燃機関は、燃料を噴射する噴孔を有し、噴孔が燃焼室の天面の中心から燃焼室内へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、入口及び出口が燃焼室に露出するように天面に固定され、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が入口から出口へと通過する中空のダクトと、を備える。噴孔は、燃料噴霧が燃焼室のボア壁面に向かって放射状に噴射されるように９個設けられている。そして、ダクトは３個設けられ、９個の噴孔に対して２つおきに配置されている。

ダクトに燃料を通過させると、ダクトがない場合に比べて燃料の貫徹力が強くなるため、より遠方へと燃料噴霧を送ることができる。第１の発明によれば、複数の噴孔に対して１つおきにダクトが配置される。これにより、燃焼室の中心付近とボア壁面付近の双方に燃料噴霧を効率よく送ることができるので、燃焼室内の充填空気を効率よく活用して燃焼効率を向上させることが可能となる。

第２の発明によれば、９個の噴孔に対して２つおきに３個のダクトが配置される。これにより、燃焼室の中心付近とボア壁面付近の双方に燃料噴霧を効率よく送ることができるので、燃焼室内の充填空気が効率よく利用して燃焼効率を向上させることが可能となる。

実施の形態１に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。 図１中の内燃機関をＡ−Ａ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。 ペネトレーションの増大効果が得られる噴孔の噴孔径とダクトの諸元との関係を示す図である。 エンジン回転速度とエンジン負荷で規定されるエンジン２の運転領域の一例を示す図である。 実施の形態２に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。 図５中の内燃機関をＢ−Ｂ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。 ダクトのペネトレーション効果が得られる燃料噴射ノズルの噴孔径、ダクト長及びダクト内径の関係を示す図である。 実施の形態３に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。 図８中の内燃機関をＣ−Ｃ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
実施の形態１について図を参照して説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。また、図２は、図１中の内燃機関をＡ−Ａ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。実施の形態１の内燃機関２は、複数気筒を備えた圧縮自着火式の内燃機関（以下、単に「エンジン」と称する）である。なお、図１及び図２では、エンジン２が備える複数の気筒のうちの１つの気筒の内部構造を示している。

図１及び図２に示すように、エンジン２は、シリンダヘッド４とシリンダブロック６とを備えている。シリンダブロック６にはシリンダボア６２が形成されている。図示しないピストンは、シリンダボア６２の内部に配置されている。シリンダヘッド４、シリンダボア６２のボア壁面及びピストンの頂面で囲まれた空間には、燃焼室８が形成されている。

燃焼室８を形成するシリンダヘッド４の天面部４２には、吸気バルブ１２及び排気バルブ１４が、それぞれ２つずつ配置されている。天面部４２の中央には、燃料噴射ノズル１６が配置されている。より詳しくは、燃焼室８を形成するシリンダヘッド４の天面部４２の中央には、燃料噴射ノズル１６を固定するための取付穴４４が貫通している。燃料噴射ノズル１６は、ボデー１６１の内部にニードル１６２を備えた構成を有している。燃料噴射ノズル１６は、先端の噴孔１８が燃焼室８内へ露出するように取付穴４４に固定されている。

実施の形態１のエンジン２は、その特徴的な構成として、シリンダヘッド４の天面部４２に固定されたダクト２０を備えている。ダクト２０は、入口２０２から出口２０４に向かって貫通する直線の中空管により構成されている。

実施の形態１の燃料噴射ノズル１６には、燃焼室８のボア壁面に向かって均等に放射状に噴射される８つの噴孔１８が設けられている。それぞれの噴孔１８は、燃料の噴射方向を示す噴孔軸線Ｌ２と気筒中心軸線Ｌ１との成す角が９５°から１１０°の範囲になるように構成されている。

実施の形態１のエンジン２では、８つの噴孔１８に対して１つおきとなるように４つのダクト２０が設けられている。より詳しくは、ダクト２０は、吸気バルブ１２及び排気バルブ１４に干渉しないように、シリンダヘッド４を下面側から見て吸気バルブ１２及び排気バルブ１４の間の位置になるように構成されている。また、ダクト２０は、中空管の中心軸線が噴孔軸線Ｌ２と一致する位置になるように構成されている。

［実施の形態１のダクトの構成による作用及びその効果］
圧縮自着火式のエンジン２では、燃焼室８内に充填された空気が圧縮された状態で、燃料噴射ノズル１６から燃料が噴射される。噴射された燃料は、燃焼室８内の充填空気と混合されて燃料濃度の均質化が進められた後、自着火による燃焼が行われることが好ましい。しかしながら、例えば、ダクト２０を備えていない構成では、燃料噴射ノズル１６から噴射された燃料が、燃焼室８の熱を受けて逸早く過熱し、燃焼室８の中心付近で自着火してしまうおそれがある。この場合、燃焼室８のボア壁面付近の充填空気が効率よく活用されず燃焼効率が低下するおそれがある。

これに対して、ダクト２０を備えた構成では、燃料噴射ノズル１６から噴射された燃料噴霧が入口２０２からダクト２０の内部へと導入される。ダクト２０内に燃料を通過させるとダクト２０内を通過させない場合に比べて強いペネトレーション（貫徹力）の効果が得られる。これにより、燃焼室８のボア壁面付近の充填空気を効率よく活用することができる。

しかしながら、噴孔１８から噴射される燃料噴霧の全てがダクト２０を通過する構成では、燃焼室８の中心付近の充填空気が効率よく活用できないおそれがある。そこで、実施の形態１のエンジン２では、８つの噴孔１８に対して１つおきにダクト２０が設けられている。このような構成によれば、ダクト２０が設けられていない噴孔１８からの燃料噴霧は、燃焼室８の中心付近の充填空気と混合され、ダクト２０を通過した燃料噴霧は、燃焼室８のボア壁面付近の充填空気と混合される。これにより、燃焼室８全体の充填空気を効率よく活用することができるので、煤の発生を低減して燃焼効率を向上させることができる。

なお、ダクト２０によって得られるペネトレーションの効果は、噴孔１８の噴孔径、ダクト２０のダクト長、内径に依存する。図３は、ペネトレーションの増大効果が得られる噴孔の噴孔径とダクトの諸元との関係を示す図である。この図に示すように、噴孔１８の噴孔径が大きいほど、ペネトレーションの増大効果が得られるダクト長は短くなる。これは、噴孔１８の噴孔径が大きいほど噴霧角が拡がることに起因する。本実施の形態１のエンジン２では、図３に示す関係を考慮して、以下のようにエンジン２及びダクト２０の諸元を定めている。エンジン２は、シリンダボア径がφ９２ｍｍとされ、噴孔１８の噴孔数が８個とされ、そして噴孔径が０．１ｍｍとされる。また、噴孔１８からダクト２０の入口２０２までの距離ｌ１は２ｍｍとされ、ダクト２０の長さｌ２は１４ｍｍとされる。ダクト２０の外径はφ４ｍｍとされ、内径はφ３ｍｍとされる。

このように構成されたダクト２０では、エンジン２の軽負荷及び高負荷の何れの運転状態においても燃焼改善の効果が得られる。図４は、エンジン回転速度とエンジン負荷で規定されるエンジン２の運転領域の一例を示す図である。例えばこの図に示すような軽負荷の領域では高負荷の領域に比べて燃料の噴射量が少量となる。このため、このような軽負荷の領域では、パイロット噴射とメイン噴射を組み合わせるマルチ噴射によって、燃料噴霧を遠くに飛ばさず、燃焼室８の壁面にできるだけ当たらないようにすることができる。燃料の噴射量が少量である場合には、ダクト２０による強いペネトレーション効果は得られないため、燃料噴霧がボア壁面に当たってＨＣが発生するような燃焼を軽減することができる。

一方、燃料の噴射量が多量となる高負荷の領域では、ダクト２０における強いペネトレーション効果が得られる。このため、ダクト２０を通過した燃料噴霧は、燃焼室８のシリンダボア６２付近の充填空気と混合される。これにより、燃焼室８全体の充填空気を効率よく活用することができるので、煤の発生を低減して燃焼効率を向上させることができる。このように、実施の形態１のエンジン２の構成によれば、軽負荷及び高負荷の双方の運転領域において煤の発生を低減して燃焼効率の向上を図ることが可能となる。

なお、上述したダクト２０の構成に代えて、噴孔径の異なる２種類の噴孔を交互に配置した燃料噴射ノズルを採用することも考えられる。このような構成によれば、噴孔径の小さい噴孔からの燃料噴霧を燃焼室の中心付近の充填空気と混合させ、噴孔径の大きい噴孔からの燃料噴霧を燃焼室のシリンダボア壁面付近の充填空気と混合させることができる。しかしながら、噴孔の噴孔径に差を設けると、燃料の噴出速度に差が生じる。つまり、小径の噴孔からの燃料の噴出速度は、大径の噴孔からの燃料の噴出速度よりも遅くなる。このため、小さい噴孔からの燃料噴霧は大粒径になり燃焼時に煤が発生し易くなる。また、大径の噴孔からの燃料噴霧は流量が多くなりすぎることによって当量比が高くなり煤が発生し易くなる。この点、実施の形態１のダクト２０の構成によれば、どの噴孔からも同じ速度で燃料が噴出するので、上記のような煤の発生を有効に防ぐことができる。

実施の形態２．
実施の形態２について図を参照して説明する。

［実施の形態２の特徴］
図５は、実施の形態２に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。また、図６は、図５中の内燃機関をＢ−Ｂ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。なお、図５及び図６において、図１又は図２と共有する要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図５及び図６に示すように、実施の形態２の燃料噴射ノズル１６には、ボア壁面に向かって均等に放射状に噴射される６つの噴孔１８が設けられている。また、実施の形態２のエンジン２では、６つの噴孔１８に対して１つおきとなるように３つのダクト２０が設けられている。

ここで、ダクト２０は、吸気バルブ１２及び排気バルブ１４に干渉しないダクト長に設定されている。図７は、ダクトのペネトレーション効果が得られる燃料噴射ノズルの噴孔径、ダクト長及びダクト内径の関係を示す図である。この図に示すように、噴孔径に対してダクト内径を小さくすれば、ペネトレーション効果を維持しつつダクト長を短くすることができる。

そこで、実施の形態２のエンジン２では、ダクト２０が吸気バルブ１２及び排気バルブ１４に干渉せず、且つペネトレーション効果を得られるように、以下のようにエンジン２及びダクト２０の諸元を定めている。エンジン２は、シリンダボア径がφ９２ｍｍとされ、噴孔１８の噴孔数が６個とされ、そして噴孔径が０．１３ｍｍとされる。また、噴孔１８からダクト２０の入口２０２までの距離ｌ１は２ｍｍとされ、ダクト２０の長さｌ２は６ｍｍとされる。ダクト２０の外径はφ４ｍｍとされ、内径はφ２ｍｍとされる。

このように、実施の形態２のエンジン２によれば、図７に示す関係を考慮してダクト２０のダクト長を設定することにより、ダクト２０によるペネトレーション効果を得つつ、吸気バルブ１２及び排気バルブ１４に干渉しないダクト２０を構成することができる。これにより、燃料噴射ノズル１６の噴孔１８の数が８個でなくても、６個、１０個等の偶数個であれば、複数の噴孔１８に対して１つおきにダクト２０を配置することができる。これにより、ダクト２０を通過する燃料噴霧とダクト２０を通過しない燃料噴霧とを燃焼室８にバランスよく噴出することができるので、燃焼室全体の充填空気を効率よく活用して煤の低減及び燃焼効率の向上を図ることが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３について図を参照して説明する。

［実施の形態３の特徴］
図８は、実施の形態３に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。また、図９は、図８中の内燃機関をＣ−Ｃ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。なお、図８及び図９において、図１又は図２と共有する要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図８及び図９に示すように、実施の形態３の燃料噴射ノズル１６には、シリンダボア６２の壁面に向かって均等に放射状に噴射される９つの噴孔１８が設けられている。また、実施の形態３のエンジン２では、９つの噴孔１８に対して２つおきとなるように、３つのダクト２０が設けられている。より詳しくは、ダクト２０は、吸気バルブ１２及び排気バルブ１４に干渉しないダクト長に設定されている。

なお、吸気バルブ１２及び排気バルブ１４に干渉しないダクト長の設定方法については、上述した実施の形態２と同様の方法を採用することができる。実施の形態３のエンジン２では、ダクト２０が吸気バルブ１２及び排気バルブ１４に重ならず、且つペネトレーション効果を得られるように、以下のようにエンジン２及びダクト２０の諸元を定めている。エンジン２は、シリンダボア径がφ９２ｍｍとされ、噴孔１８の噴孔数が９個とされ、そして噴孔径が０．１３ｍｍとされる。また、噴孔１８からダクト２０の入口２０２までの距離ｌ１は２ｍｍとされ、ダクト２０の長さｌ２は６ｍｍとされる。ダクト２０の外径はφ４ｍｍとされ、内径はφ２ｍｍとされる。

このように、実施の形態３のエンジン２によれば、燃料噴射ノズル１６の噴孔１８の数量が偶数個でない場合であっても、ダクト２０を通過する燃料噴霧とダクト２０を通過しない燃料噴霧とを燃焼室にバランスよく噴出することができる。これにより、燃焼室全体の充填空気を効率よく活用することができるので、煤の低減及び燃焼効率の向上を図ることが可能となる。

２ 内燃機関（エンジン）
４ シリンダヘッド
６ シリンダブロック
８ 燃焼室
１２ 吸気バルブ
１４ 排気バルブ
１６ 燃料噴射ノズル
１８ 噴孔
２０ ダクト
４２ 天面部
４４ 取付穴
６２ シリンダボア
１６１ ボデー
１６２ ニードル
２０２ 入口
２０４ 出口

Claims (2)

1. 圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関において、
   燃料を噴射する噴孔を有し、前記噴孔が前記燃焼室の天面の中心から前記燃焼室内へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、
   入口及び出口が前記燃焼室に露出するように前記天面に固定され、前記燃料噴射ノズルの前記噴孔から噴射された燃料噴霧が前記入口から前記出口へと通過する中空のダクトと、を備え、
   前記噴孔は、前記燃料噴霧が前記燃焼室のボア壁面に向かって放射状に噴射されるように偶数個設けられ、
   前記ダクトは、前記噴孔の数の半数個設けられ、偶数個の前記噴孔に対して１つおきに配置されていることを特徴とする内燃機関。
2. 圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関において、
   燃料を噴射する噴孔を有し、前記噴孔が前記燃焼室の天面の中心から前記燃焼室内へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、
   入口及び出口が前記燃焼室に露出するように前記天面に固定され、前記燃料噴射ノズルの前記噴孔から噴射された燃料噴霧が前記入口から前記出口へと通過する中空のダクトと、を備え、
   前記噴孔は、前記燃料噴霧が前記燃焼室のボア壁面に向かって放射状に噴射されるように９個設けられ、
   前記ダクトは３個設けられ、９個の前記噴孔に対して２つおきに配置されていることを特徴とする内燃機関。

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