(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に往復動可能に配設されたピストンの頂部に設けられた燃焼室と、該燃焼室に向けて圧縮上死点近傍において第１段目を噴射し、その後圧縮上死点から離れたタイミングにおいて第２段目を噴射する燃料噴射装置と、を有するディーゼルエンジンにおいて、
該燃料噴射装置は、該シリンダの軸方向に延びる該燃焼室の中心線に対して所定の燃料噴射開き角度をもって燃料噴射するように構成されており、該第２段目の噴射の燃料噴射開き角度が該第１段目の噴射の燃料噴射開き角度より広い角度に設定されている、ことを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
該燃焼室は、該ピストン頂部の開口部から底部に向かうに従い径が小さくなるように設けられている、請求項１記載のディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内の燃焼室に多段階に直接的に燃料を噴射するディーゼルエンジンの燃焼システムに関わる。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは大きく副燃焼室式（以下副室式）と直接噴射式（以下直噴式）に分けられ、近年は特に低燃費化の要求を受けて、絞り損失を持たず、副室式に比べ熱損失の少ない直噴式のディーゼルエンジンが多く採用されるようになっている。
【０００３】
直噴式ディーゼルエンジンは、シリンダ内のピストン頂面に燃焼室を設けてその燃焼室に直接燃料を噴射する。そして、燃焼室内の空気が圧縮され着火温度に達すると燃料が自己着火し燃焼を開始してシリンダ内が膨張し、ピストンを下降せしめて回転エネルギーに変換する。
【０００４】
ディーゼルエンジンは、上記したようにガソリンエンジンのように着火装置（点火プラグ）を持たないためシリンダ内をガソリンエンジンに比べ高圧に圧縮する必要がある。特に、直噴式ディーゼルエンジンでは高圧縮雰囲気中のシリンダ内に燃料を噴射することになるため、燃料噴射圧力も高圧になる。燃料噴射圧力が高圧になることで燃焼室内の燃料噴霧の到達距離も増大し燃焼室への壁面付着燃料が増大し、燃料の微粒化や燃焼室における空気との混合が阻害されるため、直噴式ディーゼルエンジンは空気過剰率が大きいにもかかわらず排気ガス（黒煙）の悪化を招くおそれがあった。
【０００５】
一方、近年におけるディーゼルエンジンでは、１回の燃料噴射に１回のポンプ作動を対応させて圧送する分配型燃料噴射装置や、列型燃料噴射装置などではない、蓄圧式燃料噴射システムが多く採用されるようになった。蓄圧式燃料噴射システムは、図３に示すようにエンジンによって駆動されるサプライポンプ１と、サプライポンプの圧送量を調節するサプライポンプ制御弁２、サプライポンプ１から配管３を通じて圧送される燃料を高圧に蓄圧するコモンレール４、コモンレール４と配管５によって接続されたインジェクタ６、インジェクタの燃料噴射開始と終了をＯＮ／ＯＦＦ制御するための電磁弁１０、インジェクタからのリーク燃料を燃料タンク８へ放出する配管７、燃料タンク８からサプライポンプ１に燃料を送出する配管９、コモンレール内の圧力を検出する圧力センサ１１、及びサプライポンプ制御弁２とインジェクタの電磁弁１０を含めエンジンの制御を実行するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１２を有している。
【０００６】
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１２は、図示しないアクセル開度センサ、エンジン回転速度センサからの検出信号を入力し、これら各センサの検出値をパラメータとして燃料噴射量を決定する。そして、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１２は、燃料噴射量とエンジン回転速度からコモンレールの目標圧力を決定し、圧力センサ１１から検出される現在のコモンレール圧力との偏差からサプライポンプ１の圧送量を決定して、サプライポンプの送出量を調整する電磁弁２の開閉タイミングをコントロールする。
【０００７】
コモンレール４にはエンジンの運転状態に応じた圧力にて燃料が蓄圧されており、燃料噴射はインジェクタ６に設けられた電磁弁１０のＯＮ，ＯＦＦを制御することにより行われる。燃料噴射量はコモンレール内の圧力と噴射期間でコントロールされる。また、コモンレールの燃料圧力はエンジンの運転状態により変化させることでき、サプライポンプ１の燃料圧送とインジェクタ６の電磁弁１０のＯＮ，ＯＦＦ制御は別々に実行される。そのため、蓄圧式燃料噴射システムでは任意のタイミング、任意の噴射圧力で燃料を噴射でき、その噴射回数も自由に設定が可能である。
【０００８】
上記したように、高圧化した直噴式ディーゼルエンジンでは、燃料噴射圧力により却って排気ガス（黒煙）が悪化するという問題がある。その対策として更なる噴霧の微粒化を図るべく多噴孔、小噴孔径化も試みられているが、蓄圧式燃料噴射システムの特性を生かし、主噴射を複数回に分割する多段噴射も試みられている。多段噴射にすることで先に噴射される燃料の燃焼を後に噴射する燃料の燃焼によって撹乱し、より燃焼室の空気利用率を高め燃費の悪化など招かずに排気ガス（黒煙）の改善を図ろうとするものである。直噴式ディーゼルエンジンの２段噴射の例を図４に示す。
【０００９】
図４の（ａ）は、圧縮行程上死点前のタイミングでインジェクタ６から第１段目の燃料噴射が行われる状態を示す。
図４の（ｂ）は上死点後膨張行程に入り噴霧が拡がりつつ着火遅れ期間を経て着火が開始されている状態を示す。
図４の（ｃ）は、インジェクタ６から第２段目の噴射が行われ、ピストンＰが下降し噴霧が拡がりながら第１段目の噴射による燃焼ガスに向かって第２段目の噴射が拡がっていく状態を示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、通常のインジェクタでは複数回実施される多段噴射の燃料噴射方向が同一であるため第１段目の燃料噴射による燃焼ガス雰囲気中に第２段の燃料噴射が突入し、却って空気の利用率を下げ排気ガス（黒煙）の改善効果が得られないという問題が発生する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を達成するために、本発明においては、シリンダ内に往復動可能に配設されたピストンの頂部に設けられた燃焼室と、該燃焼室に向けて圧縮上死点近傍において第１段目を噴射し、その後圧縮上死点から離れたタイミングにおいて第２段目を噴射する燃料噴射装置と、を有するディーゼルエンジンにおいて、該燃料噴射装置は、該シリンダの軸方向に延びる該燃焼室の中心線に対して所定の燃料噴射開き角度をもって燃料噴射するように構成されており、該第２段目の噴射の燃料噴射開き角度が該第１段目の噴射の燃料噴射開き角度より広い角度に設定されている、ことを特徴とするディーゼルエンジンが提供される。
【００１２】
上記燃焼室は、ピストン頂部から底部に向かうに従い径が小さくなるように設けられていることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるディーゼルエンジンの燃焼システムを図１、図２に示す実施の形態に基づいて説明する。図１はシリンダヘッド３０に配設されるインジェクタ１３と、シリンダブロック３１に形成されたシリンダ３２内を往復運動するピストン２０を示している。
【００１４】
該インジェクタ１３は異なるタイミングで２つの燃料噴射開き角度で噴射することが出来るインジェクタであり、発明の要部ではないのでここではその詳細を省略するが、例えば本出願人が先に出願している特開平８−３５４６７号公報に記載されたインジェクタを使用することが出来る。以下に本発明の実施形態における燃料噴射タイミング、燃料噴射開き角度及びピストン２０の位置関係について説明する。
【００１５】
図１において実線で示すピストン２０は圧縮上死点の近傍に位置しており、このタイミングで第１段目の燃料噴射が行われる。この時のインジェクタ１３から噴射される燃料の燃料噴射開き角度（この場合の燃料噴射開き角度とはシリンダ３２の軸方向に延びる燃焼室２１の中心線Ｏと燃料噴射方向により形成される角度を言う）は、燃焼室２１の中心線Ｏと燃料噴射方向Ｆ１とにより形成される角度β１である。この第１段の燃料噴射は、燃焼室２１の比較的底部方向に向けて噴射される。
【００１６】
次に、ピストン２０が下降して圧縮上死点から遠ざかった位置、つまり膨張行程においてピストン２０が２点鎖線で示す位置で第２段目の燃料噴射が実行される。この時のインジェクタ１３からの燃料噴射方向Ｆ２に噴射される燃料の燃料噴射開き角度（シリンダ３２の軸方向に延びる燃焼室２１の中心線Ｏと燃料噴射方向Ｆ２により形成される角度）はβ２である。この第２段目の噴射の燃料噴射開き角度β２は、上記第１段目の噴射の燃料噴射開き角度β１より広い角度に設定されている（β１＜β２）。
【００１７】
上記したピストン２０の往復運動と燃料噴射タイミング、及び燃焼の状況を更に詳しく図２を用いて説明する。  図２はクランクアングル（以下ＣＡとする）８°〜３２°までを燃料噴射と合わせて示したものである。本実施形態では第１段目の燃料噴射がＣＡ＝８°〜１４°の期間に、第２段目の燃料噴射がＣＡ＝２６°〜３２°の期間にて実施される。
なお、ＣＡはピストンの圧縮上死点をＣＡ＝０°とし、前後ＣＡ＝−３６０°〜ＣＡ＝３６０°（クランク軸２回転）で１サイクルが完了する。
【００１８】
図２の（ａ）はＣＡ＝８°において第１段目の燃料噴射が開始されている状態を示す。燃料噴射が開始された直後であるので未だ着火遅れ期間であり、燃焼そのものは開始されていない。この第１段目の燃料噴射開き角度はβ１であり、およそ７０°である。
図２の（ｂ）はＣＡ＝１０°で燃料噴射が継続され燃焼室２０の底部外方に到達し始めている状態を示す。この時も燃料の着火は始まっておらず、燃料が高温高圧のシリンダ内において酸化が進み着火直前になっている。
図２の（ｃ）はＣＡ＝１２°であり、第１段目の噴射燃料が着火を始めた状態を示す。燃焼は燃焼室２１の底部周辺で始まり更に継続して噴射されている燃料へと連続的に拡がってゆく。
図２の（ｄ）はＣＡ＝１４°であり、第１段目の燃料噴射が終了している状態を示す。第１段目の燃焼が本格的に進行し、噴霧の勢いとともに燃焼室外側へと拡がっていく。
【００１９】
図２の（ｅ）はＣＡ＝２６°であり、第２段の燃料噴射が開始された状態を示す。この第２段の燃料噴射開き角度はβ２であり、およそ８０°である。この第２段目の燃料噴射が行われるタイミングでは既に燃焼室２１の底部及び外周付近で燃焼が行われているので高温高圧雰囲気になっている状態である。
図２の（ｆ）はＣＡ＝２８°であり、第２段目の燃料噴射が継続されている状態を示す。第２段目の燃料噴射では上記したように既に第１段目の燃料噴射に基づく燃焼が行われているので、燃焼室２１内が高温高圧雰囲気であるため、第１段目の燃料噴射の時の着火開始に比べ、噴射開始からの時間は早く着火が行われる。
図２の（ｇ）はＣＡ＝３０°であり、第２段目の燃料噴射が更に継続し且つ第２段目の燃料噴射に基づく燃焼が進行している状態を示す。上記したように外周付近が高温高圧雰囲気であるため、燃料噴霧は外周まで到達せず、また噴射角度が広くされていることも手伝って第１段目の燃焼で利用されていない空間つまり燃焼室２１内周側、及び上部外周側において主に燃焼が進行する。
図２の（ｈ）はＣＡ＝３２°であり、第２段目の燃料噴射が終了している状態を示す。図に示されるように第１段目の燃料噴射に基づく燃焼と第２段目の燃料噴射に基づく燃焼が燃焼室２１の底部と外周側、及び燃焼室２１の内周側及び上部外周側と両者が干渉せずに燃焼が行われ燃焼室２１内の空気全体が効率よく利用されているのがわかる。
【００２０】
以上図２の（ａ）〜（ｈ）に示すように、第１段目の燃料噴射をピストン２０が圧縮上死点付近にあるときに行い、その時の燃料噴射開き角度β１を小さく設定し燃焼室２１の底部外周側に噴射する。また第２段目の燃料噴射を第１段目の燃料噴射のタイミングよりもピストンが圧縮上死点から離れた位置において燃料噴射開き角度β２を広く（つまりβ１＜β２）設定した状態で行うことで燃焼室全体の空気を効率よく利用することができ、排気ガス中の黒煙を改善することが出来る。
【００２１】
なお、燃焼室２１の形状については本実施形態で、いわゆる浅皿型の燃焼室を提示したが本発明はこの浅皿型の燃焼室に限定されない。ピストン頂部の燃焼室開口部径が絞られたリエントラント型燃焼室や、トロイダル型燃焼室でも同様の技術思想に基づき実施することは可能である。ただし、近年のディーゼルエンジンに対する燃費向上、出力の向上、及び排気ガスの向上を考慮すれば、該燃焼室の形状は実施形態で示したような、ピストン頂部の開口部から底部に向かうに従い径が小さくなるように設けられているいわゆる浅皿型が好ましい。
【００２２】
上記浅皿型燃焼室は他のリエントラント型燃焼室などに比べ燃焼室容積あたりの表面積が小さいため、燃焼室周辺における熱損失が少く燃費の向上に寄与する。また本発明に基づく第１段目、第２段目の燃料噴射を行う場合に、第１段目の噴射燃料を燃焼室の底部から外周に向かって進行させ、第１段目の噴射による燃焼を燃焼室の外周に沿って行わせる効果があり、第２段目の燃料噴射に基づく燃焼と第１段目の噴射に基づく燃焼を、より干渉させない効果を有している。
【００２３】
また、第１段目と第２段目の燃料噴射量については７：３〜５：５の比率の範囲が好ましい。これは第１段目の噴射燃料が燃焼で利用する外周側と、第２段目の噴射燃料が燃焼で利用する内周側の空間容積比率と関係あるが、この範囲を外れると黒煙の低減効果が小さくなってしまう。さらに第1 段目の燃料噴射と第２段目の燃料噴射のインターバルはあまり広げると第１段目の燃料噴射に基づく燃焼が第２段目の燃料噴射前に燃焼室内に拡がりすぎて第２段目の燃料噴射の噴霧が拡散するのを妨げ、却って良好な燃焼を阻害する。よって第１段目の燃料噴射終了から第２段目の燃料噴射のインターバルはおおよそクランクアングルで１２°以内が望ましく、さらには２°から８°以内がより好ましい。
【００２４】
本発明に好適な燃料噴射装置は、第１段目の燃料噴射と第２段目の燃料噴射に分けて且つ噴射角度を変更できるものであれば良いが、必ずしも発明の実施の形態で述べたものに限定されるものでなく、また更に言えば必ずしも１気筒に対して一本のインジェクタである必要はなく、一本のインジェクタで２段階に燃料噴射を分けて噴射方向を変更することが困難な場合は２本のインジェクタをシリンダの上部中央に配置して使い分けても良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼システムにおいて２段噴射を行う際に発生していた、第１段目の噴射燃料に基づく燃焼ガスに第２段目の燃料噴射が突入してしまうという問題が回避でき燃焼室の空気利用率が向上し黒煙の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づき構成された燃焼システム図。
【図２】図1 に示す燃焼システムの燃料噴射タイミングと燃焼を更に詳細に表した図。
【図３】直噴式ディーゼルエンジンに利用される蓄圧式燃料噴射装置。
【図４】従来例における直噴式ディーゼルエンジンの２段噴射を示す図。
【符号の説明】
１３：インジェクタ
２０：ピストン
２１：燃焼室
３０：シリンダヘッド
３１：シリンダブロック
３２：シリンダ
【図１】
0003903724.tif 000002
【図２】
0003903724.tif 000003
【図３】
0003903724.tif 000004
【図４】
0003903724.tif 000005