JP5672952B2 - Ｄｍｅ燃焼システム - Google Patents

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Description

本発明は、ＤＭＥを燃料とするエンジンの燃焼システムに係り、特に燃費を向上できるＤＭＥ燃焼システムに関するものである。
近年、ディーゼルエンジンの分野では、軽油の代替燃料としてジメチルエーテル（ＤＭＥ：ＤｉＭｅｔｈｙｌ Ｅｔｈｅｒ）を燃料とするディーゼルエンジンの開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。ＤＭＥは、天然ガスやバイオガスから合成され、排ガスによる汚染の原因となる硫黄を含まず、含酸素燃料であり、炭素−炭素結合がないことから、エンジンで燃焼しても煤等が排出されず排ガスがクリーンである。
このＤＭＥは常温で気体であるが、ＤＭＥを常温で０．５ＭＰａ程度に加圧すると液化するため、ディーゼルエンジンで使用する場合、燃料タンクには高圧ボンベを用い、また、燃料供給ライン内で燃料が気化しないように、高圧ボンベ内に設置されたインタンクポンプを用いて燃料を２．２〜２．７ＭＰａ程度に加圧してエンジンに供給している。
他方、従来のディーゼルエンジンにおいて、メイン噴射の前にパイロット噴射を行う燃焼方式は知られている技術であるが、軽油ディーゼルにおいてはパイロット噴射量を微少にしないとメインの噴射が１段目の噴射の燃焼による高温の燃焼ガスに２段目の噴射が突入することにより過濃な混合気に着火し多量のすすが生成する問題があるためパイロットの噴射量は微少にせざるを得なかった。またこれをできるだけ防ぐため１段目の噴射を早期に噴射させ予混合的燃焼をさせてスモークの生成を極力おさえることなどが行われてきた。これにおいても１段目の噴射量は微少量にしなければならなかった。
一方、ＤＭＥを燃料とする燃焼システムは基本的に軽油の直噴式ディーゼルと同様の燃焼システムが使われてきた。
特開２００１−１１５９１６号公報
ところで、ＤＭＥの燃焼システムとして、軽油と異なる部分は噴射ノズルの噴孔径を大きめにして噴射圧を低めに設定している程度である。これはＤＭＥの発熱量が軽油の約１／２程度であるため同一出力を得るために軽油に対して多くの噴射量を吹かねばならないことからノズル噴孔径を大きめにしているが多量の燃料を噴射させねばならないため燃費向上させるための燃焼期間の短縮化はむずかしかった。
ＤＭＥにおいてもパイロット噴射は可能であるが軽油と同様のコンセプトの微少噴射量によるパイロット噴射を実施することで軽油と同様の燃焼音の低減効果は期待できる。但し従来の軽油と同様のパイロット噴射のコンセプトでは燃焼期間を短縮することはできなかった。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＤＭＥ燃料を用いて燃焼させる際に燃焼期間を短縮させて燃焼期間が短く燃費が良いＤＭＥ燃焼システムを提供することにある。
上記目的を達成するために請求項1の発明は、ＤＭＥ燃料をエンジンの燃焼室に噴射して燃焼させるＤＭＥ燃焼システムにおいて、噴射するＤＭＥ燃料を分割して噴射すると共に、燃焼室にＥＧＲガスを導入し、１段目の分割噴射を圧縮上死点前に噴射し、２段目の噴射を、その１段目に分割噴射されたＤＭＥ燃料が圧縮上死点後に着火開始した、その着火直後に行うことを特徴とするＤＭＥ燃焼システムである。
請求項２の発明は、ＤＭＥ燃料をエンジンの燃焼室に噴射して燃焼させるＤＭＥ燃焼システムにおいて、噴射するＤＭＥ燃料を分割して噴射すると共に、燃焼室にＥＧＲガスを導入し、１段目の分割噴射を圧縮上死点前に噴射し、２段目の噴射を、その１段目に分割噴射されたＤＭＥ燃料の着火直後に行うと共に、１段目の噴射量を、２段目の噴射量に対して、１／４〜１／２としたことを特徴とするＤＭＥ燃焼システムである。
請求項３の発明は、ＥＧＲ量を、吸気量に対して２０〜４０％にした請求項１又は２記載のＤＭＥ燃焼システムである。
本発明によれば、ＤＭＥの特質であるすすが生成しないという特性を生かして最適な分割噴射とＥＧＲを実施することにより従来の燃焼方式よりさらにＮＯｘが低く、燃焼期間が短く燃費が良い燃焼方式を提案できるという優れた効果を発揮するものである。
本発明の一実施の形態を示す図である。 本発明における燃焼システムを説明する図である。
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明のエンジンの燃焼システムの装置構成を示したものである。
図１において、エンジン１０には、燃焼室１１に燃料を噴射するための噴射ノズル１２が設けられる。各燃焼室１１は、吸気マニホールド１３を介して吸気ライン１４に接続されると共に排気マニホールド１５を介して排気ライン１６に接続される、また排気ライン１６と吸気ライン１４を結んで、排気を吸気側に戻すＥＧＲライン１７が接続され、そのＥＧＲライン１７にＥＧＲクーラ１８が接続される。
燃料タンク２０内のＤＭＥ燃料は、インタンクポンプ２１から燃料供給ライン２２を介し、さらに高圧ポンプ２３に供給され、高圧ポンプ２３にて燃料噴射圧（例えば６０ＭＰａ程度）に昇圧されて、コモンレール２４に導入され、そのコモンレール２４から各噴射ノズル１２で噴射されるようになっている。
この噴射ノズル１２は、図示していないがエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）で、その噴射タイミングが制御され、エンジン負荷状況に応じて所定の燃料噴射量となるように燃焼室１１に噴射される。
本発明においては、噴射ノズル１２からＤＭＥ燃料を噴射する際に、少なくとも２段の分割噴射を行い、上死点前に１段目の分割噴射を行い、合わせて多量のＥＧＲ（吸気量の例えば３０％）を、ＥＧＲライン１７から燃焼室１１に戻すことにより、１段目の分割噴射の燃焼開始時期を上死点付近で行われるようにし、さらに２段目の噴射を１段目の着火直後に開始させることにより、１段目の噴霧の燃焼による高温場に噴射されることにより２段目の噴射はきわめて短い着火遅れで燃焼を開始するようにしたものである。
これにより１段目の噴霧と２段目の噴霧の燃焼はほぼ同時期におこり短期間に燃焼を終了するため燃費の良い燃焼となる。また２段目の燃焼は酸素雰囲気の少ない状況でおこなわれＮＯｘの発生を少なくできる。
通常の軽油のディーゼルでは、すすの多量発生により、このような本発明の燃焼方式は不可能であるが、ＤＭＥはすすが生成しないという特質があるため、このような燃焼方式とすることにより低ＮＯｘで低燃費の燃焼を行うことが可能となる。
従来の燃焼方式におけるパイロット噴射は２段目のメイン噴射に対し微少量（１ｍｍ3〜３ｍｍ3程度）が噴射されるがこの方式では１段目の噴射量は２段目に対し１／４程度から１／２程度の噴射量とする。
この本発明の燃焼システムおける噴射率、熱発生率の例を図２に示した。
図２の上段の図は、ピストンの上死点の前後におけるＤＭＥ燃料の噴射率を示し、下段の図は、その燃料噴射によるピストンの上死点の前後におけるＤＭＥ燃料の熱発生率を示したものである。
またこの図２では、ＥＧＲは示していないが、吸気行程でＥＧＲガスを２０〜４０％吸気に戻すようにしている。
図２に示すように、上死点に達する前に第１段目の噴射を行い、圧縮上死点を過ぎたときに２段目の噴射を行うと、第１段目の噴射によるＤＭＥ燃料は、上死点を過ぎた時に燃焼が開始され、このタイミングに２段目の噴射が行われることで、ＤＭＥ燃料は１段目の燃料とほぼ同時に燃焼するため、効率の良い燃焼が行われることとなる。また、ＤＭＥは、ＥＧＲ量を多くしてもすすの発生がなく、ＮＯｘ低減と併せて１段目の燃料の燃焼の着火時期を２段目の噴射時期に合わせることが可能となり、これにより低ＮＯｘ、低燃費な燃焼の実現が可能となる。
１０ エンジン
１１ 燃焼室
１２ 噴射ノズル
１７ ＥＧＲライン
２０ 燃料タンク
２２ 燃料供給ライン

Claims (3)

  1. ＤＭＥ燃料をエンジンの燃焼室に噴射して燃焼させるＤＭＥ燃焼システムにおいて、噴射するＤＭＥ燃料を分割して噴射すると共に、燃焼室にＥＧＲガスを導入し、１段目の分割噴射を圧縮上死点前に噴射し、２段目の噴射を、その１段目に分割噴射されたＤＭＥ燃料が圧縮上死点後に着火開始した、その着火直後に行うことを特徴とするＤＭＥ燃焼システム。
  2. ＤＭＥ燃料をエンジンの燃焼室に噴射して燃焼させるＤＭＥ燃焼システムにおいて、噴射するＤＭＥ燃料を分割して噴射すると共に、燃焼室にＥＧＲガスを導入し、１段目の分割噴射を圧縮上死点前に噴射し、２段目の噴射を、その１段目に分割噴射されたＤＭＥ燃料の着火直後に行うと共に、１段目の噴射量を、２段目の噴射量に対して、１／４〜１／２としたことを特徴とするＤＭＥ燃焼システム。
  3. ＥＧＲ量を、吸気量に対して２０〜４０％にした請求項１又は２記載のＤＭＥ燃焼システム。
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