JP2013092103A

JP2013092103A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2013092103A
Application number: JP2011234609A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Saijo; 克哉西條
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-05-16

Abstract

【課題】
内燃機関において、噴射された燃料の分散を抑制し、排気ガス中に含まれるＮＯｘ及びすすの量を低減可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】
少なくとも１つの燃料噴射軸Ｌに沿って燃料を噴射する燃料噴射ノズル２と、冠面６にキャビティ４を形成したピストン３を有する内燃機関１において、内燃機関１が、燃料噴射ノズル２の近傍で且つ燃料噴射軸Ｌに沿って配置した整流通路１０を有すると共に、整流通路１０が、燃料噴射ノズル２に固定されて、燃料噴射ノズル２から噴射された噴霧燃料が、整流通路１０内を通過するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射する内燃機関に関するものである。

近年、燃焼効率の向上及び低燃費化の要求から、燃焼室内に燃料を直接噴射する直接噴射式の内燃機関の開発が進められている。この直接噴射式の内燃機関は、具体的には、ピストンとシリンダヘッドで形成した空間（以下、燃焼室という）に、燃料を噴霧する構成を有している（例えば特許文献１参照）。この内燃機関には、ディーゼルエンジンや、ガソリン直噴エンジン等がある。以下、ディーゼルエンジンを例に説明する。

図５に、ディーゼルエンジン１Ｘのピストン３周辺の断面を示す。ディーゼルエンジン１Ｘは、円筒形のピストン３と、燃料を霧状に噴射する燃料噴射ノズル２Ｘと、シリンダライナ８を有している。ピストン３は、ピストン３の冠面（上面）６を刳り貫いて形成したキャビティ４（例えばリエントラント型）と、ピストンリング９を有している。

なお、一点鎖線Ｃはピストン３の中心軸Ｃを示し、破線Ｌは燃料噴射ノズル２Ｘから噴射される燃料の中心方向（以下、燃料噴射軸Ｌという）を示している。また、点線で囲まれた領域７は、ピストン３の冠面６の上方のスキッシュエリア７を示している。このスキッシュエリア７とキャビティ４をあわせた空間を、燃焼室と呼ぶ。更に、ｘ軸及びｚ軸は、図面における三次元座標の一部を示している。

次に、ディーゼルエンジン１Ｘにおける燃料噴射について説明する。ディーゼルエンジン１Ｘは、ピストン３が上死点に対して接近又は離間する際に、燃料噴射ノズル２Ｘから燃料を筒内（キャビティ４内）に直接噴射する。噴射された燃料は、分裂液滴となり、周囲の空気を導入しながら蒸発し、燃料蒸気となる。この燃料蒸気は、空気と混合されながら燃焼する。ディーゼルエンジン１Ｘにおいて、燃料と空気の混合を促進することは、燃料の燃焼効率を高め、燃費を向上し、排気ガスを清浄化（排気ガス性能の向上）することにつながる。

しかしながら、上記の燃料を直接噴射する内燃機関は、いくつかの問題点を有している。第１に、内燃機関は、蒸発した燃料と周囲の空気の混合が悪い状態、すなわち混合が不均一な状態で燃焼に至ると、ＮＯｘやｓｏｏｔ（すす）等の排出量が増加してしまうという問題を有している。

第２に、燃費性能が低下してしまうという問題を有している。これは、噴射された燃料が濃くなる部分で、未燃燃料（ＨＣ）が発生してしまうためである。

以下、燃料の混合状態と排気ガス（ＮＯｘ及びｓｏｏｔ等）の関係について説明する。図６及び図７に、燃料の混合状態とＮＯｘ又はｓｏｏｔの量の関係を表した数値解析結果を示す。この図６及び図７は、局所混合気濃度の平均値からの分散（ｖａｒｉａｎｃｅ）と、ＮＯｘ又はｓｏｏｔの排出量（質量）の関係を、局所平均当量比（φ＝１．５〜３．０）別に示す。図６及び７から、分散が大きい、すなわち燃料濃度の不均一度が大きい（図６及び図７の右方側）と、排気ガス中のＮＯｘ及びｓｏｏｔが増加する傾向にあることがわかる。つまり、燃料が希薄になる部分では燃焼温度が高温となり、ＮＯｘが発生しやすくなる。また、燃料が濃くなる部分では不完全燃焼状態により、すす等のＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）の発生量が多くなる。

図８及び図９に、キャビティ４内における燃料濃度の分散の分布状況の数値解析の結果を示す。図８は、燃料噴射ノズル（ｉｎｊｅｃｔｏｒ）が燃料噴射を完了した直後の様子を示している。図中の色の濃い部分は、燃料濃度の分散が高い場所を示しており、特に、燃料噴射ノズル近傍（図８右方）及び噴射された燃料の先端側（図８左方）で、燃料濃度の分散が高くなっていることがわかる。また、図９は、燃料噴射完了から０．５秒後の様子を示している。燃料噴射直後（図８）と同様、噴射された燃料の先端側（図９左方）で、燃料濃度の分散が高くなっていることがわかる。

特開平１１−１９０２１７号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ディーゼルエンジン及びガソリン直噴エンジン等の内燃機関において、噴射された燃料の濃度の分散を抑制し、排気ガス中に含まれるＮＯｘ及びすすの量を低減可能な内燃機関を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関は、少なくとも１つの燃料噴射軸に沿って燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、冠面にキャビティを形成したピストンを有する内燃機関において、前記内燃機関が、前記燃料噴射ノズルの近傍で且つ前記燃料噴射軸に沿って配置した整流通路を有すると共に、前記整流通路が、前記燃料噴射ノズルに固定されて、前記燃料噴射ノズルから噴射された噴霧燃料が、前記整流通路内を通過するように構成したことを特徴とする。

この構成により、キャビティ内に噴霧された噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。これは、燃料の噴霧により誘起される乱流渦の発生を抑制し、且つ乱流渦が維持される時間を短縮することができるためである。また、この構成により、燃料の噴射タイミングに関わらず、噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。これは、燃料噴射ノズルと整流通路の相対位置が、ピストンの位置に関わらず一定となるためである。特に、多段噴射を行う内燃機関で、噴霧燃料の濃度の分散を効率よく抑制することができる。

上記の内燃機関において、前記整流通路が、前記燃料噴射軸を少なくとも両側から挟むように配置した２つの整流部材を有していることを特徴とする。この構成により、噴霧燃料の運動を妨げずに、噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。特に、この構成によれば整流通路の下側が開放されるので、鉛直方向に落下した噴霧燃料が整流通路に付着し、その場所の燃料の濃度が高くなるという問題を防止できる。

上記の内燃機関において、前記整流通路の整流部材が、噴霧燃料の運動を妨げない程度の間隔で配置されていることを特徴とする。この構成により、整流通路は、噴霧燃料の移動及び拡散等を妨げることなく、噴霧燃料の移動に伴う乱流の発生を防止、又は抑制することができる。

本発明に係る内燃機関によれば、ディーゼルエンジン及びガソリン直噴エンジン等の内燃機関において、噴射された燃料の濃度の分散を抑制し、排気ガス中に含まれるＮＯｘ及びすすの量を低減可能な内燃機関を提供することができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関の燃料噴射ノズル周辺の概略を示した図である。本発明に係る実施の形態の内燃機関の燃料噴射ノズル周辺の概略を示した図である。本発明に係る実施の形態の内燃機関の燃料濃度の分散の分布状況を示した図である。本発明に係る実施の形態の内燃機関の燃料濃度の分散の分布状況を示した図である。従来の内燃機関のピストンの断面を示した図である。従来の内燃機関の燃料濃度の分散とすすの量の関係を示した図である。従来の内燃機関の燃料濃度の分散とＮＯｘの量の関係を示した図である。従来の内燃機関の燃料濃度の分散の分布状況を示した図である。従来の内燃機関の燃料濃度の分散の分布状況を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について説明する。図１に、内燃機関１における燃料噴射ノズル２の周辺の概略を示す。この内燃機関１は、少なくとも１つの燃料噴射軸Ｌに沿って燃料を噴射する燃料噴射ノズル２と、燃料噴射ノズルの近傍で且つ燃料噴射軸Ｌに沿って配置した整流通路１０と、冠面にキャビティ４を形成したピストン３を有している。この整流通路１０は、燃料噴射ノズル２に固定されており、燃料噴射ノズル２から噴射された噴霧燃料が、整流通路１０内を通過するように構成している。この整流通路１０は、例えば、燃料噴射軸Ｌを両側から挟むように配置した２つの平板状の整流部材１１で構成することができる。

ここで、本発明の整流通路１０の構成は、上記に限られない。整流通路１０は、特に燃料噴射ノズル２の近傍において、噴霧燃料の移動に伴い燃料噴射軸Ｌの周囲に発生する乱流渦の発生を抑制し、また発生した乱流渦の消失を促進する構成を有していればよい。例えば、整流通路１０を、燃料噴射軸Ｌの全周を覆うような筒型整流通路としてもよい。また、整流通路１０を、燃料噴射軸Ｌの両側面に加え、上面又は下面を覆う形状としてもよい。更に、キャビティ内の気流（たとえばスワール流又はタンブル流等）への影響を考慮し、形状に適宜変更を加えてもよい。

図２に、燃料噴射ノズル２及び整流通路１０の底面図を示す。この燃料噴射ノズル２は、４つの噴射孔５と、４つの噴射孔５に対応するそれぞれの整流通路１０を有している。この整流通路１０を構成する２つの整流部材１１の間隔ｄは、燃料噴射軸Ｌに沿って噴射される噴霧燃料の運動を阻害しない限りにおいて、狭く構成することが望ましい。この間隔ｄの長さは、内燃機関の排気量により異なる。

なお、図２では、燃料噴射ノズル２が有する噴射孔５（又は燃料噴射軸Ｌ）を４つとした場合を記載しているが、本発明はこの構成に限られない。燃料噴射ノズル２は、少なくとも１つの噴射孔５を有していればよく、例えば、２、４、５、８などの数の噴射孔５を有していてもよい。

上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、キャビティ４内に噴霧された噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。つまり、燃料を従来よりも均一に噴霧することができる。これは、整流通路１０の内面の粘性により、燃料の噴霧により誘起される乱流渦の発生を抑制し、且つ乱流渦が維持される時間を短縮することができるためである。

第２に、燃料の噴射タイミングに関わらず、噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。これは、燃料噴射ノズル２と整流通路１０の相対位置が、ピストン３の位置に関わらず一定となるためである。特に、多段噴射を行う内燃機関で、噴霧燃料の濃度の分散を効率よく抑制することができる。

第３に、整流通路１０を、燃料噴射軸Ｌの両側面に設置した整流部材１１とする構成により、噴霧燃料の運動を妨げずに、噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。特に、整流通路１０の下側が開放されているので、鉛直方向ｚに落下した噴霧燃料が整流通路１０に付着し、その場所の燃料濃度が高くなるという問題の発生を防止することができる。

図３及び４に、内燃機関１の燃料濃度の分散の分布状況を示す。図３は、燃料噴射ノズル（ｉｎｊｅｃｔｏｒ）が燃料噴射を完了した直後の様子を示している。図４は、燃料噴射完了から０．５秒後の様子を示している。なお、図中の色の濃い部分は、燃料濃度の分散が高い場所を示している。

本発明の内燃機関１の状態を示す図３及び４と、従来の内燃機関１Ｘの状態を示す図８及び９を比較してみると、本発明の内燃機関１は、噴霧燃料の濃度の分散を効率よく抑制できていることがわかる。つまり、本発明の内燃機関１は、燃料を従来よりも均一に噴霧することができ、ＮＯｘ及びすす等の発生を抑制し、排気ガス性能を向上することができる。

１内燃機関（ディーゼルエンジン、ガソリン直噴エンジン）
２燃料噴射ノズル
３ピストン
４キャビティ
６冠面
１０整流通路
１１整流部材
Ｌ燃料噴射軸
ｄ間隔

Claims

少なくとも１つの燃料噴射軸に沿って燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、冠面にキャビティを形成したピストンを有する内燃機関において、前記内燃機関が、前記燃料噴射ノズルの近傍で且つ前記燃料噴射軸に沿って配置した整流通路を有すると共に、前記整流通路が、前記燃料噴射ノズルに固定されて、前記燃料噴射ノズルから噴射された噴霧燃料が、前記整流通路内を通過するように構成したことを特徴とする内燃機関。
前記整流通路が、前記燃料噴射軸を少なくとも両側から挟むように配置した２つの整流部材を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。