JPH11324764A

JPH11324764A - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JPH11324764A
Application number: JP13846398A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Iwabuchi; 芳典岩淵; Toshitaka Yokogawa; 敏隆横川; Takeshi Shoji; 武志庄司; Yoshihisa Takeda; 好央武田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1998-05-20
Publication date: 1999-11-26
Anticipated expiration: 2018-05-20
Also published as: JP3820750B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、予混合圧縮着火燃焼の効果、ディー
ゼル燃焼の効果の双方が十分に発揮し得るディーゼルエ
ンジン提供をする。【解決手段】本発明のディゼールエンジンは、低・中負
荷時には、予混合圧縮着火燃焼の効果が十分に発揮され
るよう、吸入行程の初期から圧縮行程の中期までの間
で、燃料噴射ノズル１から燃料を噴射（早期噴射）し、
高負荷時には、ディーゼル燃焼の効果が発揮されるよ
う、燃料噴射ノズル１から圧縮行程の上死点近傍で燃料
を噴射（通常噴射）して、低・中負荷時は予混合圧縮着
火燃焼だけにして、低ＮＯｘ、低黒煙燃焼をもたらし、
高負荷時は通常のディーゼル燃焼だけにして、高い出力
が確保されるようにしたことにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、予混合圧縮着火方
式を採用したディーゼルエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンでは、通常、圧縮行
程の上死点近傍で燃料（軽油）を噴射させて、同燃料を
圧縮熱で燃焼させるという、ディーゼル燃焼が行われて
いる。このディーゼル燃焼は、燃料が燃えるまでの時間
がかなり短いために、ＮＯｘ、黒煙が多く発生しやす
い。

【０００３】こうしたＮＯｘ、黒煙を低減させるために
は、例えば混合ガスを希薄にしてリーン燃焼させればよ
いことがわかってきた。そこで、この希薄燃焼を実現さ
せるべく、近年、予混合圧縮着火方式を採用したディー
ゼルエンジンが提案されてきた。

【０００４】同エンジンの予混合圧縮着火方式は、早期
に筒内に燃料を噴射し、時間をかけて燃料を筒内の空気
にまぜて、筒内全体を均一な希薄混合気にしてから燃焼
させようとするものである。具体的には、予混合圧縮着
火燃焼は、例えば圧縮行程の初期に燃料を筒内に噴射
し、同燃料を圧縮行程で気化混合させ、同圧縮行程の終
わりで燃料予混合気を自着火させようとするものである
ところが、予混合圧縮着火燃焼は、均一な希薄混合気を
確保して始めて成立する燃焼なので、筒内の空気過剰率
λが大きなときの運転、すなわち低・中負荷という、限
られたエンジン負荷の運転のときだけしか行えない。

【０００５】そこで、この対策として２段噴射を採用し
たディーゼルエンジンが提案されている（特開平９―１
５８８１０号公報）。これは、エンジンの運転全域で、
吸入行程の初期に、予備噴射と称して燃料を１度噴射し
て希薄混合気を形成し、続く圧縮行程の上死点付近（近
傍）で主噴射と称して再度燃料を噴射させて、低負荷、
中負荷、高負荷のいずれでも希薄混合気が形成される運
転を可能としたものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上死点近傍
で噴射された燃料は、先に述べたように高濃度から理論
空燃比の付近で燃焼するために、必ずＮＯｘ、黒煙の増
大を伴う。このため、上記２段噴射式のディーゼルエン
ジンだと、上死点近傍で行われる主噴射が、予混合圧縮
着火燃焼の利点、すなわち低・中負荷で発揮する低ＮＯ
ｘ、低黒煙に優れた燃焼を損なってしまう。しかも、予
備噴射による希薄混合気の形成は、逆にディーゼル燃焼
の利点を損なう結果ともなるので、高負荷時には高出力
が確保しにくく、排気ガス性能、出力特性のいずれの点
で良いものとはいえなかった。こうした点の改善が求め
られている。

【０００７】本発明は上記事情に着目してなされたもの
で、その目的とするところは、予混合圧縮着火燃焼の効
果、ディーゼル燃焼の効果の双方が十分に発揮し得るデ
ィーゼルエンジンを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載したディゼールエンジンは、低・中負
荷時には、吸入行程の初期から圧縮行程の中期までの間
で燃料を噴射する早期噴射を行い、高負荷時には、圧縮
行程の上死点近傍で燃料を噴射する通常噴射を行い、低
・中負荷時では、低NOｘ、低黒煙燃焼をもたらす予混合
圧縮着火燃焼だけを行い、高負荷時では、高い出力が確
保されるディーゼル燃焼だけを行い、予混合圧縮着火燃
焼の効果とディーゼル燃焼の効果とが十分に発揮される
ようにしたことにある。

【０００９】請求項２に記載のディーゼルエンジンは、
さらに予混合圧縮着火燃焼とディーゼル燃焼とがスムー
ズに切替えられるよう、早期噴射と通常噴射との切り替
えを、１サイクル中に早期噴射と通常噴射との双方を行
う多段噴射を経由して行うようにしたことにある。

【００１０】請求項３に記載のディーゼルエンジンは、
さらに簡単な制御で、早期噴射と通常噴射との切り替え
が行われるよう、早期噴射と通常噴射との切り替えを、
エンジンの筒内平均空気過剰率にしたがって行うように
したことにある。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図１ないし図４に
示す一実施形態にもとづいて説明する。図１は本発明を
適用したディーゼルエンジンの燃料噴射ノズル回りを示
し、図中１はシリンダヘッド２に装着された噴霧ノズル
（本願の燃料噴射部に相当）である。

【００１２】この噴霧ノズル１には、早期噴射に適した
噴霧パターン、通常噴射に適した噴霧パターンといった
２種類の異なる噴霧パターンで、燃料（軽油）の噴霧が
可能な可変噴霧ノズルが用いてある。

【００１３】この噴霧ノズル１の構造について説明すれ
ば，図中３はノズルボディである。ノズルボディ３は、
上側に大径な筒部３ａを有し、下側に小径な筒部３b を
有して形成してある。そして、小径な筒部３ｂの下端部
が、シリンダヘッド２の下面からシリンダ内に臨んでい
る。

【００１４】このノズルボディ３内の空間で形成されて
いる針弁室５には、大小２種類の針弁を同心状に組み合
わせた針弁部６が上下方向に摺動自在に収められてい
る。この針弁部６には、針状の内側針弁７と、この内側
針弁７の外周面に摺動自在に嵌挿された有底筒状の外側
針弁８とを組み合わせた構造を用いてある。

【００１５】具体的には、外側針弁８は、大径な筒部３
a 内に収まる大径軸部８ａと小径な筒部３b 内に収まる
小径軸部８ｂとを有し、両軸部８ａ、８ｂとの境界部に
は円錐面８ｃが形成され、先端部が半球状に形成された
有底筒形状をなしている。また半球状部８ｄの基部側に
は、複数個の噴孔、例えば６個の噴孔８ｅが周方向に所
定の間隔で形成してある。そして、この半球状部８ｄが
小径な筒部３ｂの下端から突き出ている。なお、小径軸
部８ｂの直線部分の外径は、半球状部８ｄの外径より大
きくしてある。また小径軸部８ｂの直線部分を形成する
外周面には、上記半球状部８ｄの噴孔位置と対応して、
それぞれ軸方向に延びるスリット状の溝部９が周方向沿
いに並行に形成されている。各溝部９上端部は、円錐面
８ｃまで延びている。そして、各溝部９の上端部が、円
錐面８ｃを用いたシート部、すなわち円錐面８ｃとこれ
と接離するシール面１１とを組み合わせて構成される外
側シート部１２、その直上に形成してある受圧面１３を
囲むよう大径な筒部３ａの内面に形成された油溜り部１
４、さらに大径な筒部３ａの周壁に形成された通路１６
を介して、燃料圧送部（図示しない）と連通している。
また各溝部９の下端部（先端部）は、小径な筒部３ｂの
先端( 下端) からシリンダ内に開口し、噴孔１７を形成
している。そして、外側針弁８は、同外側針弁８を開閉
動（上下動）させる開弁機構部１８( 例えば燃料圧を利
用して開弁させる機構）に接続され、同機構部１８で行
われる外側針弁８の開弁により、筒部端面の噴孔１７か
ら燃料が噴射できるようにしてある。

【００１６】内側針弁７は、大径軸部８ａ内に収まる太
軸部７ａと、小径軸部８ｂ内に収まる細軸部７ｂとを有
した針状をなしている。細軸部７ｂの先端部（下端）に
は、噴孔１７上流側の小径軸部８ｂの内面部分に形成し
てある円錐状のシール面１９と組み合う円錐面７ｃが形
成されていて、同部分には内側シート部２０を構成して
いる。そして、この内側シート部２０は、細軸部７ｂの
外周面と小径軸部８ｂの外周面との間に形成されている
通路２１、その通路端の直上に形成してある受圧部２２
を囲むよう大径軸部８ａの内面に形成された油溜り部２
３、大径軸部８ａの外周面に形成されている中継用の環
状溝２４、さらに大径な筒部３ａの周壁に形成された通
路２５を介して、上記燃料圧送部（図示しない）と連通
している。そして、内側針弁７も上記開弁機構部１８に
接続され、同機構部１８で行われる内側針弁７の開弁に
より、外側針弁８の先端の噴孔８ｅから燃料を噴射でき
るようにしてある。

【００１７】そして、各噴孔８ｅから横方向へ噴射され
る燃料によって、図１中のX で示されるように圧縮行程
の上死点近傍に達したピストン上面のキャビティ２６
（燃焼室を形成する部分）内へ良好に燃料が噴霧される
ようにしてある。つまり、通常のディーゼル燃焼に適し
た噴射が行われるようになっている( 通常噴射）。また
各噴孔８ｅから横方向へ噴射される燃料に各噴孔１７か
ら下方向へ噴射される燃料を衝突させるという、衝突噴
射によって、吸入行程の初期から圧縮行程の中期までの
間を用いて、図１中のY に示されるような予混合圧縮着
火燃焼に適した燃料の噴霧が行われるようにしてある(
早期噴射）。具体的には、横方向の噴射流に下方向の噴
射流を衝突させると、シリンダブロック２の下面に燃料
が付着せず、かつ低貫徹力で、燃料の微細化が促進され
ながら、上死点から離れた地点にあるピストン２７のキ
ャビティ２６へ向かう最適な噴霧角で噴霧が行われるよ
うになる。

【００１８】これにより、１本の可変式の噴霧ノズル１
で、それぞれ異なる噴霧特性をもつ２種類の噴霧パター
ンで、予混合圧縮着火燃焼に最適な早期噴射と、ディー
ゼル燃焼に最適な通常噴射とが最適に行えるようにして
ある。

【００１９】また噴霧ノズル１の開弁機構部１８には、
コントローラ２８（例えばマイクロコンピュータよりな
る）が接続され、同コントローラ２８により、開弁機構
部１８を制御して、低・中負荷時（低温始動時を除く）
には早期噴射が行われ、高負荷時には通常噴射が行われ
るようにしてある。この早期噴射と通常噴射との切り替
えには、ディーゼルエンジンの筒内平均空気過剰率を用
いて切替える制御が採用されている。具体的には、コン
トローラ２８には、例えばディーゼルエンジンの回転
数、同じく燃料噴射量、同じく吸気温度、同じく吸気圧
力から筒内平均空気過剰率を算出する機能と、エンジン
の低・中負荷域と高負荷域とで噴霧パターンを切替える
ための例えば燃料性状などを考慮した空気過剰率値から
定めた噴射パターン切替設定λ値と、同設定λ値をディ
ーゼルエンジンのＥＧＲ率で補正する機能とが設定され
ている。またコントローラ２８には、補正した噴射パタ
ーン切替設定λ値と、算出された筒内平均空気過剰率と
の対比により、低・中負荷時には早期タイミングの噴
射、例えば圧縮行程中期での噴射( 早期噴射）に切り替
え、高負荷時には圧縮行程の上死点近傍だけの噴射であ
る通常噴射に切替える機能とが設定してある。これによ
り、低・中負荷において予混合圧縮着火燃焼が行われ、
高負荷において通常のディーゼル燃焼が行われるように
している。またコントローラ２８には、低・中負荷時の
早期噴射と高負荷時の通常噴射との切替えの際、１サイ
クル中に例えば上記早期噴射と上記通常噴射との双方を
用いた多段噴射を経由してから切替えを行う機能が設定
されている。この機能にて、予混合圧縮着火燃焼からデ
ィーゼル燃焼へ、ディーゼル燃焼から予混合圧縮着火燃
焼へのいずれの燃焼でもクッションとなる多段燃焼を介
在させてから移行させるようにしてある。

【００２０】こうした早期噴射／通常噴射に切替える制
御が図２のフローチャートに示されている。つぎに、同
フローチャートにもとづいて噴射パターンの切換えを説
明する。

【００２１】ディーゼルエンジンの運転中、コントロー
ラ２８は、ステップＳ１に示されるようにエンジン回転
数、燃料噴射量、吸気温度、吸気圧力を読み取り、続く
ステップＳ２でこれら検出値を用いて筒内平均空気過剰
率を算出する。

【００２２】一方、ステップＳ３では、予め燃料性状な
どから設定してある、噴射パターンを切替えるための筒
内平均空気過剰率λ値、具体的には噴射パターン切替設
定値α，βを読み込み、これら設定値α、βを現在のエ
ンジンのＥＧＲ率で補正する。

【００２３】ここで、設定値αはエンジンの低・中負荷
と高負荷との境を規定する閾値であり、設定値βは燃焼
の切換えを滑らかに行う多段噴射の領域を規定する閾値
であり、続くステップＳ４，５で、これら閾値α，βと
先の算出された筒内平均空気過剰率λとが対比されてい
く。

【００２４】そして、筒内平均空気過剰率λと閾値α，
βとを対比した結果、算出した筒内平均空気過剰率λが
閾値αより高く、ディーゼルエンジンが低・中負荷と判
定されると、コントローラ２８は、ステップＳ４からス
テップＳ６へ進み、開弁機構部１８を制御して、例えば
図３（ａ）に示されるように内側針弁７と外側針弁８と
の双方を圧縮行程の中期で開弁させる。これにより、燃
料は、噴霧ノズル１の先端部から衝突噴射、具体的には
各噴孔８ｅ，１７から噴射される燃料が互いに衝突して
予混合圧縮着火燃焼に最適な噴霧パターンを形成しなが
ら筒内へ噴射される。

【００２５】これにより、低・中負荷時には早期噴射だ
けが行われ、予混合圧縮着火燃焼、すなわち燃料を圧縮
行程で気化混合させて、同圧縮行程の終わりで燃料予混
合気を自着火させる燃焼が行われる。

【００２６】その後、算出した筒内平均空気過剰率λが
低くなり、ディーゼルエンジンが高負荷と判定される
と、コントローラ２８は、図３(b) に示されるような多
段燃焼領域を介在させてから、図３(c) に示されるよう
な通常のディーゼル燃焼に切替える。

【００２７】すなわち、コントローラ２８で高負荷と判
定されると、ステップS ５からステップＳ７へ進み、開
弁機構部１８を制御して、図３（ｂ）に示されるように
例えば吸入行程の中期で内側針弁７と外側針弁８との双
方を開弁、続く圧縮行程の上死点近傍で内側針弁７だけ
を開弁させる。これにより、燃料は、早期噴射( 衝突噴
射）と通常噴射とによって多段に噴射される( １サイク
ル中）。

【００２８】これにより、多段燃焼が行われる。そし
て、筒内平均空気過剰率λが、通常燃焼へ移行する設定
値βを越えると、コントローラ２８は、ステップS ８へ
進み、図３(c) に示されるように通常噴射（圧縮行程の
上死点近傍で内側針弁７だけを開弁）だけを行う。これ
により、ディーゼル燃焼に切り替わり、高負荷の間は、
ディーゼル燃焼が継続する。

【００２９】なお、高負荷から低・中負荷へ切り替わる
際にも、同様に多段噴射が途中に介在されてから（多段
燃焼）、予混合圧縮着火燃焼へ移るものである。このよ
うに低・中負荷時には早期噴射に切替え、高負荷時には
通常噴射に切替えることより、低・中負荷時には予混合
圧縮着火燃焼による低ＮＯｘ、低黒煙燃焼が実現され、
高負荷時にはディーゼル燃焼による出力確保が実現され
るようになる。実験によれば、図４中の実線に示される
ようにディーゼルエンジンの低・中負荷域では、予混合
圧縮着火燃焼が十分に発揮されたことの証として、ＮＯ
ｘの生成が格段に抑制されたこと、排煙( 黒煙）の発生
が格段に抑制されたことが確認され、高負荷域では、デ
ィーゼル燃焼が十分に発揮されたことの証として、従来
のディーゼル燃焼のときと同じ高い出力が確保されたこ
とが認められた。さらに、多段燃焼によって切替えの
際、低ＮＯｘ、低黒煙燃焼の悪化を抑えた切換えが行わ
れたことも認められた。

【００３０】それ故、予混合圧縮着火燃焼の効果とディ
ーゼル燃焼の効果とを十分に発揮させることができる。
この結果、排ガス特性ならびに出力特性の双方に優れた
ディーゼルエンジンを提供できる。特に予混合圧縮着火
燃焼で求められる噴霧特性、ディーゼル燃焼で求められ
る噴霧特性が得られるよう、早期噴射と通常噴射の噴霧
パターンを可変させたので、一層、優れた排ガス特性な
らびに出力特性が実現できる。

【００３１】しかも、予混合圧縮着火燃焼と通常のディ
ーゼル燃焼との切替えは、両燃焼の中間である多段噴射
による多段燃焼領域を経由して行うので、スムーズな切
換えが行える。そのうえ、多段燃焼領域は、希薄燃焼を
含んでいるので、ＮＯｘ、黒煙の悪化は最小限ですむ。

【００３２】加えて、同切替えは、ディーゼルエンジン
の筒内平均空気過剰率にしたがって行うようにしたの
で、簡単な制御である。なお、一実施形態では、圧縮行
程の中期や吸入行程の中期に燃料を噴射する早期噴射を
例に挙げたが、これに限らず、早期噴射は吸入行程の初
期から圧縮行程の中期までの間で行わればよい。

【００３３】また一実施形態では、１本の可変噴霧ノズ
ルを用いて、混合圧縮着火燃焼と通常のディーゼル燃焼
とで噴霧特性を異ならせたが、これに限らず、複数の噴
霧ノズルを用いて噴霧特性を異ならせるようにしてもよ
い。また一実施形態では、筒内に直接、燃料を噴射させ
るエンジンに適用したが、それ以外，例えば吸気管へ燃
料を噴射するエンジンに適用してもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載の発
明によれば、低・中負荷時には予混合圧縮着火燃焼に切
り替わって、低ＮＯｘ、低黒煙燃焼が行われ、高負荷時
には通常のディーゼル燃焼に切り替わって、出力が十分
に確保されるようになる。

【００３５】それ故、予混合圧縮着火燃焼の効果、ディ
ーゼル燃焼の効果の双方が十分に発揮できようになり、
排ガス特性、出力特性に優れたディーゼルエンジンを提
供できる。

【００３６】請求項２に記載の発明によれば、さらに上
記効果に加え、ＮＯｘの生成を最小限にべ抑制しつつ予
混合圧縮着火燃焼とディーゼル燃焼とをスムーズに切替
えることができる。請求項３に記載の発明によれば、さ
らに上記効果に加え、簡単な制御で、予混合圧縮着火燃
焼とディーゼル燃焼との切替えを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン
の噴霧ノズル回りの構造を示す図。

【図２】同噴霧ノズルの噴霧パターンを低・中負荷と高
負荷とで切替える制御を説明するためのフローチャー
ト。

【図３】同制御によりエンジン負荷条件に応じて行われ
る早期噴射、多段噴射、通常噴射を説明するための図。

【図４】同早期噴射、多段噴射、通常噴射で行われる燃
焼がもたらす低ＮＯｘ、低黒煙燃焼、高出力を説明する
ための図。

【符号の説明】

１…噴霧ノズル（燃料噴射部）１８、２８…開弁機構、コントローラ( 切替手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者庄司武志東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者武田好央東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸入行程の初期から圧縮行程の中期まで
の間で燃料を噴射する早期噴射、圧縮行程の上死点近傍
で燃料を噴射する通常噴射が可能な燃料噴射部と、低・中負荷時は前記早期噴射に切り替え、高負荷時は前
記通常噴射に切り替える切替手段とを具備したことを特
徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】前記早期噴射と通常噴射との切り替え
は、１サイクル中に前記早期噴射と前記通常噴射との双
方を行う多段噴射を経由して行われることを特徴とする
請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】前記早期噴射と前記通常噴射との切り替
えは、エンジンの筒内平均空気過剰率にしたがって行わ
れることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエン
ジン。