(57)【要約】【課題】燃焼室における燃料と水の衝突の確実性を向上しＮＯｘの生成量を低減することを可能とするディーゼルエンジンを提供する。【解決手段】ディーゼルエンジンは、内部に燃焼室が形成されるシリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、燃焼室に開口する１または複数の燃料噴射口１２６ａを有し、燃料噴射口から燃料Ｆを噴射する燃料噴射部１２６と、燃料噴射口を囲って形成される１または複数の水噴射口１２８ａを有し、水噴射口から燃焼室内に水を噴射して、水の流れによる水の層Ｌを生成する水噴射部１２８と、を備え、燃料噴射部は、水噴射部が生成した水の層を通過する方向に、燃料を噴射する。【選択図】図３
2014092072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に燃焼室が形成されるシリンダと、
前記シリンダ内を摺動するピストンと、
前記燃焼室に開口する１または複数の燃料噴射口を有し、該燃料噴射口から燃料を噴射する燃料噴射部と、
前記燃料噴射口を囲って形成される１または複数の水噴射口を有し、該水噴射口から前記燃焼室内に水を噴射して、該水の流れによる水の層を生成する水噴射部と、
を備え、
前記燃料噴射部は、前記水噴射部が生成した前記水の層を通過する方向に、前記燃料を噴射することを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記燃料噴射部は、
前記燃料噴射口を複数有し、
前記水の噴射方向と交差する方向であって、かつ、前記燃料噴射口毎に異なる方向に、前記燃料を噴射す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】
前記燃料噴射部は、複数の前記燃料噴射口の中心に対し、放射状に前記燃料を噴射することを特徴とする請求項２に記載のディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に燃料と水を噴射して燃料を燃焼させるディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンには２ストローク方式と４ストローク方式があり、２ストローク方式は船舶など、４ストローク方式は自動車などに搭載されて普及している。その構造は２ストローク方式と４ストローク方式で異なり、２ストローク方式のディーゼルエンジンを例に挙げると、シリンダにおけるピストンのストローク方向一端部に排気ポートが設けられ、シリンダにおけるピストンのストローク方向他端部側に掃気ポートが設けられている。そして、吸気（給気）行程において掃気ポートから燃焼室に活性ガスが吸入されると、燃焼作用によって生じた排気ガスが、吸入される活性ガスによって排気ポートから押し出されるようにして排気される。このとき、吸入された活性ガスに燃料を噴射することにより燃焼作用が得られ、この燃焼作用によって生じる爆発圧力によってピストンがシリンダ内で往復運動することとなる。
【０００３】
こうしたディーゼルエンジンでは、上記のいずれの方式においても、燃焼室内の酸素濃度が高くなり過ぎると、有害なＮＯｘ（窒素酸化物）が生成され、排気ガスと一緒に排出されてしまう。そこで、特許文献１では、燃焼室において、燃料が噴射される前に水を噴射することで水蒸気を付加し、酸素分圧を低下させて、ＮＯｘの生成量を低減する構成が記載されている。また、燃焼室内に水を噴射すると燃焼室が冷却され、燃料の燃焼温度が低下して、ＮＯｘの生成量が低減される効果があることが知られている。特に、燃焼室内に噴射された燃料と水を衝突させると、燃焼反応に水が介在することで燃料の燃焼速度が低下し、ＮＯｘの生成量の低減に効果がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−９６１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、燃焼室において燃料と水を衝突させる場合、単に、燃料の噴射方向と水の噴射方向を交差させただけでは、噴射された燃料に水が衝突しない部分が生じる。そして、燃料のうち、水が衝突していない部分から燃焼反応が起こると、燃焼温度が上昇してしまい、ＮＯｘの生成量があまり低減されないおそれがある。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑み、燃焼室における燃料と水の衝突の確実性を向上しＮＯｘの生成量を低減することが可能なディーゼルエンジンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のディーゼルエンジンは、内部に燃焼室が形成されるシリンダと、前記シリンダ内を摺動するピストンと、前記燃焼室に開口する１または複数の燃料噴射口を有し、該燃料噴射口から燃料を噴射する燃料噴射部と、前記燃料噴射口を囲って形成される１または複数の水噴射口を有し、該水噴射口から前記燃焼室内に水を噴射して、該水の流れによる水の層を生成する水噴射部と、を備え、前記燃料噴射部は、前記水噴射部が生成した前記水の層を通過する方向に、前記燃料を噴射することを特徴とする。
【０００８】
前記燃料噴射部は、前記燃料噴射口を複数有し、前記水の噴射方向と交差する方向であって、かつ、前記燃料噴射口毎に異なる方向に、前記燃料を噴射してもよい。
【０００９】
前記燃料噴射部は、複数の前記燃料噴射口の中心に対し、放射状に前記燃料を噴射してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のディーゼルエンジンによれば、燃焼室における燃料と水の衝突の確実性を向上しＮＯｘの生成量を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ディーゼルエンジンの全体構成を示す説明図である。
【図２】図１の破線部分の拡大図である。
【図３】燃料と水の噴射形態を説明するための説明図である。
【図４】各制御部の動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１３】
図１は、ディーゼルエンジン１００の全体構成を示す説明図であり、図２は、図１の破線部分の拡大図である。本実施形態のディーゼルエンジン１００は、例えば、船舶等に用いられる。具体的に、ディーゼルエンジン１００は、シリンダ１１０（シリンダヘッド１１０ａ、シリンダブロック１１０ｂ）と、ピストン１１２と、パイロット噴射弁１１４と、排気ポート１１６と、排気弁駆動装置１１８と、排気弁１２０と、掃気ポート１２２と、掃気室１２４と、燃料噴射部１２６と、水噴射部１２８と、ロータリエンコーダ１３０と、燃焼室１４０と、を含んで構成され、ガバナー（調速機）１５０、噴射制御部１５２、排気制御部１５４等の制御部によって制御される。
【００１４】
ディーゼルエンジン１００では、吸気（給気）、圧縮、燃焼、排気といった４つの連続する行程を通じて、不図示のクロスヘッドに連結されたピストン１１２がシリンダ１１０内を摺動自在に往復移動する。このようなクロスヘッド型のピストン１１２では、シリンダ１１０内でのストロークを比較的長く形成することができ、ピストン１１２に作用する側圧をクロスヘッドに受けさせることが可能なので、ディーゼルエンジン１００の高出力化を図ることができる。さらに、シリンダ１１０とクロスヘッドが収まる不図示のクランク室とが隔離されるので、低質燃料油を用いる場合においても汚損劣化を防止することができる。
【００１５】
パイロット噴射弁１１４は、シリンダ１１０のストローク方向一端部である、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａに設けられ、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油を噴射する。かかる燃料油は、シリンダヘッド１１０ａと、シリンダブロック１１０ｂにおけるシリンダライナと、ピストン１１２とに囲繞された燃焼室１４０の熱で自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室１４０の温度を極めて高くするので、燃料を所望のタイミングで確実に燃焼することができる。
【００１６】
排気ポート１１６は、シリンダ１１０におけるピストン１１２のストローク方向の一端側、すなわち、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａの頂部に設けられた開口部であり、シリンダ１１０内で生じた燃焼後の排気ガスを排気するために開閉される。排気弁駆動装置１１８は、所定のタイミングで排気弁１２０を上下に摺動させ、排気ポート１１６を開閉する。このようにして排気ポート１１６を介して排気された排気ガスは、例えば、不図示の過給機のタービン側に供給された後、外部に排気される。
【００１７】
掃気ポート１２２は、シリンダ１１０におけるピストン１１２のストローク方向の他端側の内周面（シリンダブロック１１０ｂの内周面）から外周面まで貫通する孔であり、シリンダ１１０の全周囲に亘って、複数設けられている。そして、掃気ポート１２２は、ピストン１１２の摺動動作に応じてシリンダ１１０内に活性ガスを吸入する。かかる活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気）を含む。掃気室１２４には、不図示の過給機のコンプレッサによって加圧された活性ガス（例えば空気）が封入されており、掃気室１２４とシリンダ１１０内の差圧をもって掃気ポート１２２から活性ガスが吸入される。掃気室１２４の圧力は、ほぼ一定とすることができるが、掃気室１２４の圧力が変化する場合には、掃気ポート１２２に圧力計を設け、その計測値に応じて燃料の噴射量等、他のパラメータを制御してもよい。
【００１８】
図２に示すように、シリンダヘッド１１０ａには、上記の排気ポート１１６を形成する排気用部材１１６ａが固定されている。また、シリンダヘッド１１０ａには、後述する各噴射部（燃料噴射部１２６および水噴射部１２８）を形成する噴射用部材１１０ｃが固定されている。
【００１９】
燃料噴射部１２６は、燃焼室１４０に開口する複数の燃料噴射口１２６ａと、当該燃料噴射口１２６ａを不図示の燃料タンクに連通する経路の少なくとも一部を形成する連通路１２６ｂを有する。
【００２０】
連通路１２６ｂは噴射用部材１１０ｃに形成された孔を含んで構成され、連通路１２６ｂの燃焼室１４０側の出口端には、半球形状の中空部材１２６ｃが、当該中空部材１２６ｃの平面側に形成された内部への開口を対向させて固定されている。
【００２１】
中空部材１２６ｃには、内部から曲面側に貫通する複数の孔が形成されており、燃料噴射口１２６ａは、中空部材１２６ｃに形成された孔の曲面側の端部で構成される。
【００２２】
そして、燃料噴射部１２６は、燃料噴射口１２６ａと燃料タンクとの連通経路を開閉可能な不図示の燃料噴射弁を開くことで、燃料噴射口１２６ａから燃料を噴射する。
【００２３】
燃料噴射部１２６の燃料噴射口１２６ａの周囲には、燃料噴射口１２６ａを囲って複数の水噴射口１２８ａが設けられている。図２では、水噴射口１２８ａを２つ示すが、水噴射口１２８ａは、中空部材１２６ｃの開口を中心として、シリンダ１１０の周方向に亘り、例えば、等間隔に４つ以上配されている。
【００２４】
燃料噴射口１２６ａと水噴射口１２８ａの位置関係について詳述すると、シリンダヘッド１１０ａの鉛直下側からの下面視において、水噴射口１２８ａは、燃料噴射口１２６ａの周りに複数配される。すなわち、複数の水噴射口１２８ａの中心側に燃料噴射口１２６ａが位置する。
【００２５】
水噴射部１２８は、複数の水噴射口１２８ａと、当該水噴射口１２８ａを不図示の水タンクに連通する経路の少なくとも一部を形成する連通路１２８ｂを有する。連通路１２８ｂは、噴射用部材１１０ｃに形成された孔を含んで構成され、水噴射口１２８ａは当該連通路１２８ｂの出口端である。
【００２６】
図２では、理解を容易とするため、燃料噴射部１２６の連通路１２６ｂと水噴射部１２８の連通路１２８ｂを交差させて示すが、実際には、双方の連通路１２６ｂ、１２８ｂは、交差せず互いに連通していないものとする。
【００２７】
そして、水噴射部１２８は、水噴射口１２８ａと水タンクとの連通経路を開閉可能な不図示の水噴射弁を開くことで、連通路１２８ｂから燃焼室１４０内に水を噴射（噴霧）する。本実施形態においては、噴射される水は液体とする。
【００２８】
ここで、水噴射部１２８による水の噴射量は、例えば、燃料の噴射量の３０〜５０％程度とする。また、水噴射口１２８ａの数によって、水の噴射量の最適値は変わり、水噴射口１２８ａの数が多いほど、燃料の噴射量に対する水の噴射量の比率を低下させることが望ましい。
【００２９】
また、水噴射部１２８は、燃料噴射部１２６による燃料の噴射とほとんど同時に、水を噴射するものとする。ただし、水の噴射圧力は大凡一定であって、燃料噴射部１２６による燃料の噴射圧力が高い場合、燃料の噴射タイミングよりも水の噴射タイミングを、最大で１ミリ秒（ｍｓ）程度早めることが望ましい。
【００３０】
図３は、燃料と水の噴射形態を説明するための説明図である。図３では、各連通路１２６ｂ、１２８ｂを破線で示し、水噴射部１２８が噴射した水の流れによって形成された水の層Ｌをグレーの塗りつぶしで示す。
【００３１】
図３に示すように、本実施形態においては、水噴射部１２８は水を鉛直方向から僅かに傾斜した方向に噴射する。また、燃料噴射部１２６は、燃料を水の噴射方向に対して４５度程度傾斜した方向に噴射している。ここでは、水の噴射方向を鉛直方向から僅かに傾斜した方向、燃料の噴射方向を水の噴射方向に対して４５度傾斜した方向としているが、水の噴射方向は鉛直下方でもよいし、その他の方向であってもよい。また、燃料の噴射方向は水の噴射方向に対して傾斜していれば４５度に限らない。ただし、水の噴射方向に対する燃料の噴射方向の傾斜角は、少なくとも４５度以上であることが望ましい。
【００３２】
そして、水噴射口１２８ａが燃料噴射口１２６ａを囲うように配されていることから、水噴射部１２８によって噴射された水の流れによって生成された水の層Ｌは、燃料噴射口１２６ａを囲う円筒形状となる。
【００３３】
このとき、燃料噴射部１２６は、燃料Ｆを、水噴射部１２８による水の噴射方向と交差する方向に噴射する。すなわち、燃料噴射部１２６は、鉛直方向に対して傾斜した方向に燃料Ｆを噴射する。また、燃料噴射部１２６は、複数の燃料噴射口１２６ａ毎に異なる方向に燃料Ｆを噴射する。
【００３４】
詳細には、燃料噴射部１２６は、複数の燃料噴射口１２６ａの中心に対し、放射状に燃料Ｆを噴射する。すわなち、鉛直上側から見たとき、複数の燃料噴射口１２６ａは、仮想円上の周方向に等間隔に位置し、燃料Ｆは複数の燃料噴射口１２６ａの中心から離隔する方向に噴射される。
【００３５】
例えば、単に燃料の噴射方向と水の噴射方向を交差させただけでは、噴射された燃料に水が衝突しない部分が生じる。そして、燃料のうち、水が衝突していない部分から燃焼反応が起こると、燃焼温度が上昇してＮＯｘが生成される場合がある。
【００３６】
本実施形態では、上述したように、水の層Ｌが燃料噴射口１２６ａを囲うように形成される。燃料噴射部１２６は、水噴射部１２８が生成した水の層Ｌを通過する方向、すなわち、水の噴射方向に対して傾斜した方向に燃料Ｆを噴射するため、燃焼室１４０における燃料Ｆと水の衝突の確実性を向上しＮＯｘの生成量を低減することが可能となる。
【００３７】
また、水の層Ｌが燃料噴射口１２６ａを囲うように形成されることで、仮に、燃料噴射口１２６ａから、設計時に狙った方向から多少ずれた方向に燃料Ｆが噴射される事態が生じたとしても、燃料Ｆと水との衝突の可能性を高めることができる。
【００３８】
図１に戻って、ロータリエンコーダ１３０は、不図示のクランク機構に設けられ、クランクの角度信号（以下、クランク角度信号と言う。）を検出する。
【００３９】
ガバナー１５０は、上位の制御装置から入力されたエンジン出力指令値と、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号によるエンジン回転数に基づいて、燃料噴射量を導出し、噴射制御部１５２に出力する。
【００４０】
噴射制御部１５２は、ガバナー１５０から入力された燃料噴射量を示す情報と、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号に基づいて、燃料噴射弁を制御する。また、噴射制御部１５２は、燃料噴射量に基づいて水噴射量を導出し、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号に基づいて、水噴射弁を制御する。
【００４１】
排気制御部１５４は、噴射制御部１５２からの燃料噴射量にかかる信号、および、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号に基づいて、排気弁駆動装置１１８に排気弁操作信号を出力する。
【００４２】
以下、上述したディーゼルエンジン１００のエンジンサイクルにおける各制御部の動作について説明する。
【００４３】
図４は、各制御部の動作を示す説明図である。図４に示すように、燃焼行程後の排気行程では、排気ポート１１６および掃気ポート１２２が閉塞状態にあり、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）には排気ガスが充満している。
【００４４】
燃焼室１４０の燃焼作用によって生じる爆発圧力により、ピストン１１２が下降し下死点に近づくと、排気制御部１５４は排気弁駆動装置１１８を通じて排気弁１２０を開弁し（図４に示すｔ１）、続いて、ピストン１１２の摺動動作に応じて掃気ポート１２２が開口する（図４に示すｔ２）。すると、掃気ポート１２２から活性ガスが吸入される。活性ガスはシリンダ１１０内を上昇し、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）の排気ガスを排気ポート１１６から押し出す。
【００４５】
そして、ピストン１１２が下死点から上死点に向けて上昇する圧縮行程では、掃気ポート１２２が閉口され、活性ガスの吸入が停止される。
【００４６】
このとき、排気制御部１５４は、排気弁１２０を開弁状態に維持しており、ピストン１１２の上昇によって、引き続き、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）の排気ガスは、排気ポート１１６から排出される。
【００４７】
その後、さらにピストン１１２が上昇すると、排気制御部１５４は、排気弁１２０を閉弁して排気ポート１１６を閉口する（図４に示すｔ３）。
【００４８】
そして、ピストン１１２が上死点に近づくと（図４に示すｔ４）、噴射制御部１５２は、ガバナー１５０から入力された燃料噴射量を示す情報や、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号によって導出されるエンジン回転数等に基づいて、燃料噴射弁を開弁して、燃料噴射部１２６から燃焼室１４０内に燃料Ｆを噴射させる。
【００４９】
同時に、噴射制御部１５２は、水噴射弁を開弁して、水噴射部１２８から燃焼室１４０内に水を噴射させる。これにより、噴射された水によって形成された水の層Ｌに燃料Ｆが衝突する。
【００５０】
そして、噴射制御部１５２は、燃料噴射弁および水噴射弁を閉弁し、燃料噴射部１２６および水噴射部１２８から燃焼室１４０内への燃料Ｆおよび水の噴射が停止する。
【００５１】
このようにして、燃焼室１４０において燃料Ｆが燃焼することにより、上記のとおりに、排気、吸気、圧縮、燃焼行程が繰り返されることとなる。
【００５２】
上述した実施形態において、水タンクには、例えば、ディーゼルエンジン１００が搭載された船舶の航行する海の海水を取水して貯留するものとする。これにより、船舶に積載する水タンクの容量を小さくできる上、真水の積載量を低減することが可能となる。また、当該海水をフィルタでろ過し、塩分などの不純物を除去して水タンクに貯留してもよい。また、水タンクに海水を貯留し、水タンクに貯留された海水を使用する際、フィルタでろ過してもよい。
【００５３】
また、上述した実施形態において、水噴射部１２８は、液体の水を噴射する場合について説明したが、水噴射部１２８は、例えば、気体の水（水蒸気）を噴射してもよい。
【００５４】
また、上述した実施形態において、燃料噴射口１２６ａ、および、水噴射口１２８ａが、それぞれ複数設けられた場合について説明したが、燃料噴射口１２６ａ、および、水噴射口１２８ａは一つであってもよい。水噴射口１２８ａを一つとする場合、水噴射口１２８ａを、燃料噴射口１２６ａを囲うような環上の形状に形成するとよい。
【００５５】
また、上述した実施形態において、燃料噴射部１２６は、複数の燃料噴射口１２６ａ毎に異なる方向に燃料Ｆを噴射することとしたが、燃料噴射部１２６は、すべての燃料噴射口１２６ａについて同じ方向に燃料Ｆを噴射させてもよいし、燃料噴射口１２６ａの総数より少ない２つ以上の燃料噴射口１２６ａについてのみ、同じ方向に燃料Ｆを噴射させてもよい。ただし、複数の燃料噴射口１２６ａ毎に異なる方向に燃料Ｆを噴射することで、燃焼室１４０内に燃料Ｆが分散し易くすることが可能となる上、水の層Ｌの広い範囲が燃料Ｆと衝突することとなり、噴射された水を効率的に燃料Ｆと衝突させることが可能となる。
【００５６】
また、上述した実施形態において、燃料噴射部１２６は、放射状に燃料Ｆを噴射する場合について説明したが、燃料Ｆを噴射する方向は、水の層Ｌを通過する方向であれば、放射状でなくてもよい。ただし、燃料噴射部１２６は、放射状に燃料Ｆを噴射することで、燃料Ｆの分散、および、噴射された水の燃料Ｆへの衝突が、さらに効率的に遂行される。
【００５７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、燃焼室に燃料と水を噴射して燃料を燃焼させるディーゼルエンジンに利用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
Ｆ     …燃料
Ｌ     …水の層
１００  …ディーゼルエンジン
１１０  …シリンダ
１１２  …ピストン
１２６  …燃料噴射部
１２６ａ  …燃料噴射口
１２８  …水噴射部
１２８ａ  …水噴射口
１４０  …燃焼室
【図１】
2014092072.tif 000003
【図２】
2014092072.tif 000004
【図４】
2014092072.tif 000005
【図３】
2014092072.tif 000006