JP2018193909A - Multistage injection type diesel engine, mechanical device equipped with the same, and control method of multistage injection type diesel engine - Google Patents
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Abstract
【課題】 熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制することができる多段噴射式ディーゼルエンジン、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法を提供する。【解決手段】 頂面にキャビティ20を有するピストン2と、キャビティ20に向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタ3とを備えた多段噴射式ディーゼルエンジン1であって、キャビティ20は、燃料噴射インジェクタ3の軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第1燃焼室21と、第1燃焼室21よりも小径の同心円状に形成され第1燃焼室よりも深い位置に凹設される第2燃焼室22とを有し、燃料噴射インジェクタ3は、圧縮行程における第1噴射タイミングで第1燃焼室21に燃料を噴射し、圧縮行程又は膨張行程における上死点近傍の第2噴射タイミングで第2燃焼室22に燃料を噴射する。【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multi-stage injection diesel engine capable of suppressing the amount of smoke and the emission of unburned substances by increasing the utilization rate of air, as well as realizing the improvement of thermal efficiency and the reduction of combustion noise, and the same. Provided are a mechanical device and a control method for a multi-stage injection diesel engine. A multi-stage injection diesel engine (1) is provided with a piston (2) having a cavity (20) on its top surface, and a fuel injection injector (3) capable of multi-stage fuel injection toward the cavity (20). A first combustion chamber 21 which is recessed in a substantially circular shape in a plan view with respect to the axial center of the injector 3, and a concentric circle having a diameter smaller than that of the first combustion chamber 21 and recessed at a position deeper than the first combustion chamber. The fuel injection injector 3 injects fuel into the first combustion chamber 21 at the first injection timing in the compression stroke, and the second injection near the top dead center in the compression stroke or the expansion stroke. Fuel is injected into the second combustion chamber 22 at a timing. [Selection diagram]
Description
本発明は、燃料を複数回に分けて燃焼室内に直接噴射する多段噴射式ディーゼルエンジン、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法に関するものである。 The present invention relates to a multi-stage injection type diesel engine that directly injects fuel into a combustion chamber in a plurality of times, a mechanical apparatus including the same, and a control method for the multi-stage injection type diesel engine.
従来、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現するためのものとして、燃料を複数回に分けて燃焼室内に直接噴射する多段噴射式のディーゼルエンジンが知られている。例えば、特開2014−9598号公報には、メイン噴射と、当該メイン噴射よりも少ない量の燃料をピストンが圧縮上死点に達する前に噴射するパイロット噴射とを行なうディーゼルエンジンが開示されている(特許文献1)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a multi-stage injection type diesel engine in which fuel is divided into a plurality of times and directly injected into a combustion chamber is known as a means for realizing improvement in thermal efficiency and reduction in combustion noise. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2014-9598 discloses a diesel engine that performs main injection and pilot injection in which a smaller amount of fuel than the main injection is injected before the piston reaches compression top dead center. (Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に記載された発明を含め、従来の多段噴射可能な燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンにおいては、先行する燃料噴射によって生じた高温かつ低酸素な雰囲気場に、後続の燃料が噴射されるようになっている。このため、当該後続の噴射による燃料は空気と良好に混合されにくく、燃焼室内に燃料が過濃(リッチ)な領域を形成するため、スモークや未燃物質の排出量が増加してしまうという問題がある。 However, in the diesel engine equipped with the conventional fuel injection system capable of multistage injection including the invention described in Patent Document 1, the subsequent fuel is placed in the high temperature and low oxygen atmosphere generated by the preceding fuel injection. It comes to be injected. For this reason, the fuel produced by the subsequent injection is not easily mixed with air, and the fuel is formed in a rich region in the combustion chamber, resulting in an increase in the amount of smoke and unburned substances. There is.
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制することができる多段噴射式ディーゼルエンジン、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such problems. In addition to improving the thermal efficiency and reducing the combustion noise, the present invention increases the utilization rate of air and releases smoke and unburned substances. It is an object of the present invention to provide a multi-stage injection type diesel engine capable of suppressing the amount, a mechanical device including the same, and a control method for the multi-stage injection type diesel engine.
本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジンは、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制するという課題を解決するために、頂面にキャビティを有するピストンと、前記キャビティに向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタとを備えた多段噴射式ディーゼルエンジンであって、前記キャビティは、前記燃料噴射インジェクタの軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第1燃焼室と、前記第1燃焼室よりも小径の同心円状に形成され前記第1燃焼室よりも深い位置に凹設される第2燃焼室とを有しており、前記燃料噴射インジェクタは、圧縮行程における第1噴射タイミングで前記第1燃焼室に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第2噴射タイミングで前記第2燃焼室に対して燃料を噴射する。 The multi-stage injection type diesel engine according to the present invention not only realizes improvement of thermal efficiency and reduction of combustion noise, but also solves the problem of suppressing the emission of smoke and unburned substances by increasing the utilization rate of air. A multi-stage injection type diesel engine comprising a piston having a cavity on the top surface and a fuel injection injector capable of multi-stage injection of fuel toward the cavity, wherein the cavity relates to an axis of the fuel injection injector A first combustion chamber recessed in a substantially circular shape in plan view; a second combustion chamber formed in a concentric shape having a smaller diameter than the first combustion chamber and recessed at a position deeper than the first combustion chamber; The fuel injection injector injects fuel into the first combustion chamber at a first injection timing in a compression stroke, and performs a compression stroke or an expansion stroke. Injecting fuel to the second combustion chamber at a second injection timing positioned near top dead center definitive.
また、本発明の一態様として、第1噴射タイミングおよび第2噴射タイミングを適切に設定するという課題を解決するために、前記第1噴射タイミングは、クランク角度で上死点前40°を超えかつ上死点前30°未満の範囲で設定され、前記第2噴射タイミングは、クランク角度で上死点前10°以上かつ上死点後5°未満の範囲で設定されていてもよい。 Moreover, as one aspect of the present invention, in order to solve the problem of appropriately setting the first injection timing and the second injection timing, the first injection timing exceeds a crank angle of 40 ° before top dead center and The second injection timing may be set in a range of less than 30 ° before top dead center, and the crank angle may be set in a range of 10 ° or more before top dead center and less than 5 ° after top dead center.
さらに、本発明の一態様として、第1噴射タイミングおよび第2噴射タイミングでの噴射量を適切に設定するという課題を解決するために、前記第1噴射タイミングでの噴射量は、前記第2噴射タイミングでの噴射量の30〜50%に設定されていてもよい。 Furthermore, as one aspect of the present invention, in order to solve the problem of appropriately setting the injection amount at the first injection timing and the second injection timing, the injection amount at the first injection timing is set to the second injection timing. It may be set to 30 to 50% of the injection amount at the timing.
また、本発明の一態様として、噴射された燃料を妨げることなく漏れなく取り込んで第1燃焼室へ導くという課題を解決するために、前記第1燃焼室の底面は外周側に向けて深くなるように傾斜されており、その傾斜角度は下記式(1)により表されていてもよい。
θ≦90°−θinj/2 ・・・式(1)
ただし、各符号は以下を表す。
θ:第1燃焼室の底面の傾斜角度[°]
θinj:燃料噴射インジェクタの噴口角[°]
Further, as one aspect of the present invention, in order to solve the problem of taking the injected fuel without omission and guiding it to the first combustion chamber, the bottom surface of the first combustion chamber becomes deeper toward the outer peripheral side. The inclination angle may be expressed by the following formula (1).
θ ≦ 90 ° −θinj / 2 Formula (1)
However, each symbol represents the following.
θ: Angle of inclination of the bottom of the first combustion chamber [°]
θinj: Fuel injector injector nozzle angle [°]
さらに、本発明の一態様として、燃料がスキッシュエリアへ飛散するのを抑制して第1燃焼室内に留まらせ、混合気の希薄化を抑制し、未燃物質の排出量を低減するという課題を解決するために、前記第1燃焼室は、その内周面が凹湾曲状に形成されているとともに、その上端縁部には前記第1燃焼室の最大径よりも縮径され、前記第1噴射タイミングで噴射された前記燃料を巻き上げるための燃料巻上用返し部が設けられていてもよい。 Furthermore, as one aspect of the present invention, the problem is that the fuel is prevented from scattering into the squish area and stays in the first combustion chamber, the mixture is diluted, and the emission of unburned substances is reduced. In order to solve the problem, the inner surface of the first combustion chamber is formed in a concave curved shape, and the upper end edge of the first combustion chamber is reduced in diameter from the maximum diameter of the first combustion chamber. A fuel winding return portion for winding up the fuel injected at the injection timing may be provided.
また、本発明の一態様として、燃料を第2燃焼室へスムーズに導入するとともに、第1燃焼室へ飛散するのを抑制して第2燃焼室内に留まらせ、混合気の希薄化を抑制し、未燃物質の排出量を低減するという課題を解決するために、前記第2燃焼室は、その内周面が凹湾曲状に形成されているとともに、その上端縁部には凸湾曲状に隆起されて前記第2燃焼室の最大径よりも縮径され、前記第2噴射タイミングで噴射された前記燃料を前記第2燃焼室の底部へ導き入れるための燃料導入用隆起部が設けられていてもよい。 Further, as one aspect of the present invention, the fuel is smoothly introduced into the second combustion chamber, and is prevented from being scattered into the first combustion chamber so as to remain in the second combustion chamber, thereby suppressing the dilution of the air-fuel mixture. In order to solve the problem of reducing the discharge amount of unburned substances, the second combustion chamber has a concave curved inner peripheral surface and a convex curved shape at the upper edge. A fuel-introducing bulge portion is provided for guiding the fuel, which is raised and reduced in diameter from the maximum diameter of the second combustion chamber, to the bottom of the second combustion chamber, and is injected at the second injection timing. May be.
また、本発明に係る機械装置は、上述したいずれかの態様を有する多段噴射式ディーゼルエンジンを備えてなるものである。 Moreover, the mechanical apparatus which concerns on this invention is equipped with the multistage injection type diesel engine which has one of the aspects mentioned above.
また、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法は、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制するという課題を解決するために、頂面にキャビティを有するピストンと、前記キャビティに向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタとを備えた多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法であって、前記キャビティは、前記燃料噴射インジェクタの軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第1燃焼室と、前記第1燃焼室よりも小径の同心円状に形成され前記第1燃焼室よりも深い位置に凹設される第2燃焼室とを有しており、前記燃料噴射インジェクタは、圧縮行程における第1噴射タイミングで前記第1燃焼室に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第2噴射タイミングで前記第2燃焼室に対して燃料を噴射する。 In addition, the control method for a multi-stage injection diesel engine according to the present invention not only realizes improvement in thermal efficiency and reduction of combustion noise, but also increases the utilization rate of air and suppresses the emission of smoke and unburned substances. In order to solve the problem, there is provided a control method for a multi-stage injection type diesel engine comprising a piston having a cavity on the top surface and a fuel injection injector capable of multi-stage injection of fuel toward the cavity, wherein the cavity includes: A first combustion chamber that is recessed in a substantially circular shape in plan view with respect to the axial center of the fuel injector, and a concentric circle that is smaller in diameter than the first combustion chamber and that is recessed deeper than the first combustion chamber. And the fuel injection injector injects fuel into the first combustion chamber at a first injection timing in a compression stroke. To inject fuel to said second combustion chamber at a second injection timing located near the top dead center in the compression stroke or the expansion stroke.
本発明によれば、熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible not only to realize improvement of thermal efficiency and reduction of combustion noise, but also to increase the utilization rate of air and suppress the discharge of smoke and unburned substances.
以下、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法の一実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明において、機械装置とは、自動車、オートバイ、軍用車両、鉄道車両、船舶、航空機、発電機、ポンプ、建設機械、農業機械等のように、ディーゼルエンジンを動力源とする全ての機械装置を含む概念である。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of a multistage injection diesel engine according to the present invention, a mechanical device including the same, and a control method for the multistage injection diesel engine will be described with reference to the drawings. In the present invention, the mechanical device means all machines that use a diesel engine as a power source, such as automobiles, motorcycles, military vehicles, railway vehicles, ships, airplanes, generators, pumps, construction machinery, agricultural machinery, etc. It is a concept that includes a device.
本実施形態の多段噴射式ディーゼルエンジン1は、燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンによって構成されており、図1に示すように、主として、頂面にキャビティ20を有するピストン2と、キャビティ20に向けて燃料を多段噴射可能な燃料噴射インジェクタ3とを備えている。以下、各構成について説明する。なお、図示しないが、多段噴射式ディーゼルエンジン1は、吸入する空気圧を高める過給装置や、燃焼後の排気ガスの一部を再度吸気させるEGR(Exhaust Gas Recirculation:排気再循環)システム等を別途備えている。 The multi-stage injection type diesel engine 1 of the present embodiment is constituted by a diesel engine that directly injects fuel into a combustion chamber. As shown in FIG. 1, a piston 2 having a cavity 20 on the top surface and a cavity 20 mainly. And a fuel injection injector 3 capable of multistage injection of fuel. Each configuration will be described below. Although not shown, the multi-stage injection diesel engine 1 has a turbocharger that increases the intake air pressure, an EGR (Exhaust Gas Recirculation) system that reintakes part of the exhaust gas after combustion, and the like. I have.
ピストン2は、シリンダ4内を往復動する略円柱形状に形成されており、その頂面には燃焼室として機能する凹状のキャビティ20が設けられている。本実施形態において、キャビティ20は、図1および図2に示すように、燃料噴射インジェクタ3から噴射される燃料を別々の空間に分割するための第1燃焼室21および第2燃焼室22を備えている。 The piston 2 is formed in a substantially cylindrical shape that reciprocates in the cylinder 4, and a concave cavity 20 that functions as a combustion chamber is provided on the top surface. In the present embodiment, the cavity 20 includes a first combustion chamber 21 and a second combustion chamber 22 for dividing the fuel injected from the fuel injector 3 into separate spaces, as shown in FIGS. 1 and 2. ing.
第1燃焼室21は、後述する第1噴射タイミングで噴射された燃料を燃焼させるための空間である。具体的には、図1および図2に示すように、第1燃焼室21は、燃料噴射インジェクタ3の軸心に関して平面視で略円形状に凹設されている。また、本実施形態では、図1に示すように、第1燃焼室21の底面は外周側に向けて深くなるように傾斜されている。 The first combustion chamber 21 is a space for burning fuel injected at a first injection timing described later. Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the first combustion chamber 21 is recessed in a substantially circular shape in plan view with respect to the axial center of the fuel injector 3. Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the bottom surface of the first combustion chamber 21 is inclined so as to become deeper toward the outer peripheral side.
当該傾斜角度は、図3(a)に示すように、燃料の噴射角度よりも大きい場合、第1噴射タイミングで噴射された燃料が第1燃焼室21に到達し難くなり、第2燃焼室22に分配され易くなるおそれがある。よって、本実施形態では、図3(b)に示すように、噴射された燃料を漏れなく第1燃焼室21へ導き易くするために、第1燃焼室21の底面の傾斜角度は下記式(1)により表される角度に設定されている。
θ≦90°−θinj/2 ・・・式(1)
ただし、各符号は以下を表す。
θ:第1燃焼室21の底面の傾斜角度[°]
θinj:燃料噴射インジェクタ3の噴口角[°]
As shown in FIG. 3A, when the inclination angle is larger than the fuel injection angle, the fuel injected at the first injection timing hardly reaches the first combustion chamber 21, and the second combustion chamber 22. There is a risk of being easily distributed. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 3B, in order to easily guide the injected fuel to the first combustion chamber 21 without leakage, the inclination angle of the bottom surface of the first combustion chamber 21 is expressed by the following formula ( It is set to the angle represented by 1).
θ ≦ 90 ° −θinj / 2 Formula (1)
However, each symbol represents the following.
θ: Inclination angle [°] of the bottom surface of the first combustion chamber 21
θinj: the nozzle angle of the fuel injection injector 3 [°]
また、本実施形態では、図1および図3に示すように、第1燃焼室21は、その内周面が断面視で凹湾曲状に形成されている。そして、第1燃焼室21の上端縁部には、第1燃焼室21の最大径よりも縮径され、第1噴射タイミングで噴射された燃料をシリンダ4ヘッド側へ巻き上げるための燃料巻上用返し部23が設けられている。この燃料巻上用返し部23によって、シリンダヘッドとピストン2との間に形成されるスキッシュエリアに燃料が拡散しにくくなり、第1燃焼室21内に燃料が留まり易くなる。 Moreover, in this embodiment, as shown in FIG. 1 and FIG. 3, the 1st combustion chamber 21 is formed in the concave curve shape in the internal peripheral surface by sectional view. The upper end edge of the first combustion chamber 21 has a diameter smaller than the maximum diameter of the first combustion chamber 21 and is used for hoisting the fuel to wind up the fuel injected at the first injection timing to the cylinder 4 head side. A return portion 23 is provided. The fuel hoisting return portion 23 makes it difficult for the fuel to diffuse into the squish area formed between the cylinder head and the piston 2, and makes it easier for the fuel to stay in the first combustion chamber 21.
第2燃焼室22は、後述する第2噴射タイミングで噴射された燃料を燃焼させるための空間である。具体的には、図1および図2に示すように、第2燃焼室22は、平面視において、第1燃焼室21よりも小径の同心円状に形成され、第1燃焼室21よりも深い位置に凹設されている。また、第2燃焼室22の中心は、リエントラント型燃焼室と同様、略円錐形状に隆起されており、渦輪を発生させて燃焼効率を向上するようになっている。 The second combustion chamber 22 is a space for burning fuel injected at a second injection timing described later. Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the second combustion chamber 22 is formed concentrically with a smaller diameter than the first combustion chamber 21 in a plan view, and is located deeper than the first combustion chamber 21. Is recessed. The center of the second combustion chamber 22 is raised in a substantially conical shape like the reentrant combustion chamber, and a vortex ring is generated to improve the combustion efficiency.
また、本実施形態では、図1および図3に示すように、第2燃焼室22は、その内周面が断面視で凹湾曲状に形成されている。そして、第2燃焼室22の上端縁部には凸湾曲状に隆起されて第2燃焼室22の最大径よりも縮径され、第2噴射タイミングで噴射された燃料を第2燃焼室22の底部へ導き入れるための燃料導入用隆起部24が設けられている。この燃料導入用隆起部24に衝突した燃料は、内周面に沿って下方へと渦を巻きながら第2燃焼室22内へとスムーズに導入される。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, the second combustion chamber 22 has an inner peripheral surface formed in a concave curved shape in a sectional view. Then, the upper end edge of the second combustion chamber 22 protrudes in a convex curve shape and is reduced in diameter from the maximum diameter of the second combustion chamber 22, and the fuel injected at the second injection timing is supplied to the second combustion chamber 22. A fuel introduction ridge 24 is provided for introduction into the bottom. The fuel that has collided with the fuel introduction ridge 24 is smoothly introduced into the second combustion chamber 22 while swirling downward along the inner peripheral surface.
さらに、本実施形態において、第1燃焼室21および第2燃焼室22の容積は、圧縮比が14以上16以下となるように設定されている。圧縮比が小さいほど理論熱効率が低下し、実際に取り出せる仕事も低減する。このため、圧縮比を14以上に設定することで、熱効率の低下が必要最小限に抑制される。一方、圧縮比が高いほど燃料が早く着火し、空気との混合が促進されない。このため、圧縮比を16以下に設定することで、燃料と空気との混合が促進される。 Further, in the present embodiment, the volumes of the first combustion chamber 21 and the second combustion chamber 22 are set so that the compression ratio is 14 or more and 16 or less. The smaller the compression ratio, the lower the theoretical thermal efficiency and the less work that can actually be taken out. For this reason, by setting the compression ratio to 14 or more, a decrease in thermal efficiency is suppressed to a necessary minimum. On the other hand, the higher the compression ratio, the faster the fuel ignites, and the mixing with air is not promoted. For this reason, mixing of a fuel and air is accelerated | stimulated by setting a compression ratio to 16 or less.
つぎに、燃料噴射インジェクタ3は、キャビティ20に向けて燃料を多段噴射するためのものである。本実施形態において、燃料噴射インジェクタ3は、図1に示すように、その軸心がピストン2の軸心と一致されている。また、燃料噴射インジェクタ3は、いわゆるコモンレールシステムの一部として実装されており、図示しないエンジンコントロールユニット(ECU)によって、燃料の噴射量や噴射タイミングが制御されるようになっている。 Next, the fuel injection injector 3 is for injecting fuel into the cavity 20 in multiple stages. In this embodiment, as shown in FIG. 1, the axis of the fuel injection injector 3 coincides with the axis of the piston 2. The fuel injector 3 is mounted as a part of a so-called common rail system, and the fuel injection amount and injection timing are controlled by an engine control unit (ECU) (not shown).
また、本実施形態において、燃料噴射インジェクタ3は、エンジンコントロールユニットによる制御のもと、圧縮行程における第1噴射タイミングで第1燃焼室21に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第2噴射タイミングで第2燃焼室22に対して燃料を噴射するようになっている。 In the present embodiment, the fuel injection injector 3 injects fuel into the first combustion chamber 21 at the first injection timing in the compression stroke under the control of the engine control unit, and in the compression stroke or expansion stroke. The fuel is injected into the second combustion chamber 22 at the second injection timing located near the top dead center.
ここで、第1噴射タイミングの時期が早過ぎると、燃料が第1燃焼室21ではなく、スキッシュエリアに直接導入されるため、未燃物質の排出量が増大する。一方、第1噴射タイミングの時期が遅過ぎると、燃料の一部が第2燃焼室22にも導入されて高温かつ低酸素な雰囲気場が形成されるため、第2噴射タイミングの燃焼においてスモークの排出量が増大する。また、第2噴射タイミングの時期が早過ぎたり遅過ぎたりすると、第1噴射タイミングの燃焼で高温かつ低酸素な雰囲気場となっている第1燃焼室21に燃料の一部が導入され、スモークの排出量が増大する。 Here, if the timing of the first injection timing is too early, the fuel is directly introduced into the squish area instead of the first combustion chamber 21, so that the amount of unburned substances discharged increases. On the other hand, if the timing of the first injection timing is too late, part of the fuel is also introduced into the second combustion chamber 22 to form a high-temperature and low-oxygen atmosphere field. Emissions increase. If the timing of the second injection timing is too early or too late, a part of the fuel is introduced into the first combustion chamber 21 that is in a high-temperature and low-oxygen atmosphere field by the combustion at the first injection timing, and the smoke The amount of emissions increases.
よって、第1噴射タイミングおよび第2噴射タイミングについては、後述する実施例2,4における数値シミュレーションの結果に基づいて、好適なタイミングを特定した。具体的には、第1噴射タイミングは、クランク角度で上死点前40°を超えかつ上死点前30°未満の範囲で設定することが好ましく、クランク角度で上死点前35°が最も好ましい。また、第2噴射タイミングは、クランク角度で上死点前10°以上かつ上死点後5°未満の範囲で設定することが好ましく、クランク角度で上死点前5°が最も好ましい。 Therefore, about the 1st injection timing and the 2nd injection timing, suitable timing was specified based on the result of the numerical simulation in Examples 2 and 4 mentioned below. Specifically, the first injection timing is preferably set in the range of the crank angle exceeding 40 ° before the top dead center and less than 30 ° before the top dead center, and the crank angle is most preferably 35 ° before the top dead center. preferable. The second injection timing is preferably set in a range of 10 ° or more before top dead center and less than 5 ° after top dead center in crank angle, and most preferably 5 ° before top dead center in crank angle.
また、本実施形態において、第1噴射タイミングでの燃料の噴射量(第1噴射量)と、第2噴射タイミングでの燃料の噴射量(第2噴射量)との割合は、スモークの排出量、騒音および熱効率等の観点から以下のように設定されている。 In the present embodiment, the ratio of the fuel injection amount (first injection amount) at the first injection timing and the fuel injection amount (second injection amount) at the second injection timing is the smoke emission amount. It is set as follows from the viewpoint of noise and thermal efficiency.
具体的には、スモークは主に第2噴射タイミングでの燃焼から排出される。このため、第2噴射量を増加させ、第1噴射量を相対的に減少させると、スモークの排出量が増加する。よって、第1噴射量を第2噴射量の30%以上に確保すれば、スモークの排出量が抑制される。また、第2燃焼室22での後燃え期間(大きな燃焼後もだらだらと残りの燃料が燃焼を続ける状態)が増大せず、等容度の低下が抑制されるため熱効率の低下が防止される。 Specifically, the smoke is mainly discharged from the combustion at the second injection timing. For this reason, if the second injection amount is increased and the first injection amount is relatively decreased, the smoke discharge amount increases. Therefore, if the first injection amount is secured to 30% or more of the second injection amount, the smoke discharge amount is suppressed. In addition, the afterburning period in the second combustion chamber 22 (the state in which the remaining fuel continues to burn gradually even after large combustion) does not increase, and a decrease in isovolume is suppressed, so that a decrease in thermal efficiency is prevented. .
一方、第1噴射量を増加させ、第2噴射量を相対的に減少させると、第1噴射タイミングでの燃焼が急峻となり騒音が悪化する。このため、第1噴射量を第2噴射量の50%以下に抑制すれば、第1燃焼室21での燃焼が穏やかとなり騒音が低減する。以上より、第1噴射量は、第2噴射量の30〜50%に設定することが好ましいといえる。 On the other hand, if the first injection amount is increased and the second injection amount is relatively decreased, combustion at the first injection timing becomes steep and noise is deteriorated. For this reason, if the first injection amount is suppressed to 50% or less of the second injection amount, combustion in the first combustion chamber 21 becomes gentle and noise is reduced. From the above, it can be said that the first injection amount is preferably set to 30 to 50% of the second injection amount.
また、本実施形態では、多段噴射式ディーゼルエンジン1の1動作(吸入行程・圧縮行程・膨張行程・排気行程)につき、燃料を2回噴射する方式を採用しているが、本発明の作用効果を奏する範囲において、1動作につき3回以上で多段噴射してもよい。例えば、第3噴射タイミングとして、膨張行程におけるクランク角度で上死点後30°あたりに設定し、再度、第1燃焼室21に対して噴射してもよい。これにより、燃え残った燃料を燃焼させたり、排気管へ燃料を送って、ディーゼル微粒子捕集フィルター(Diesel Particulate Filter:DPF)に堆積したススを燃焼させられる可能性がある。 Further, in this embodiment, a system in which fuel is injected twice for one operation (intake stroke, compression stroke, expansion stroke, exhaust stroke) of the multi-stage injection type diesel engine 1 is employed. In a range where the above is achieved, multistage injection may be performed three times or more per operation. For example, as the third injection timing, the crank angle in the expansion stroke may be set around 30 ° after top dead center, and may be injected again into the first combustion chamber 21. As a result, there is a possibility that the unburnt fuel is burned or fuel is sent to the exhaust pipe so that the soot deposited on the diesel particulate filter (Diesel Particulate Filter: DPF) is burned.
つぎに、本実施形態の多段噴射式ディーゼルエンジン1、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジン1の制御方法の作用について説明する。 Next, the operation of the multistage injection diesel engine 1 of the present embodiment, the mechanical device including the same, and the control method of the multistage injection diesel engine 1 will be described.
まず、本実施形態の多段噴射式ディーゼルエンジン1においては、燃料噴射インジェクタ3が、図4に示すように、圧縮行程における第1噴射タイミングで第1燃焼室21に対して燃料を噴射する。これにより、当該燃料は第1燃焼室21内の空気を取り込み、混合気を形成する。また、第1燃焼室21では、外周側に向けて深くなるように傾斜された底面が、噴射された燃料を漏れなく取り込んで第1燃焼室21へ導く。さらに、第1燃焼室21の上端縁部に設けられた燃料巻上用返し部23が、スキッシュエリアへ燃料が飛散するのを抑制し、大部分の燃料が第1燃焼室21内に留まる。これにより、混合気の希薄化が抑制されるため、未燃物質の排出量が低減する。 First, in the multi-stage injection type diesel engine 1 of the present embodiment, as shown in FIG. 4, the fuel injection injector 3 injects fuel into the first combustion chamber 21 at the first injection timing in the compression stroke. Thereby, the fuel takes in the air in the first combustion chamber 21 to form an air-fuel mixture. Further, in the first combustion chamber 21, the bottom surface inclined so as to become deeper toward the outer peripheral side takes in the injected fuel without leakage and guides it to the first combustion chamber 21. Further, the fuel winding return portion 23 provided at the upper edge of the first combustion chamber 21 prevents the fuel from scattering to the squish area, and most of the fuel remains in the first combustion chamber 21. Thereby, since the dilution of the air-fuel mixture is suppressed, the discharge amount of unburned substances is reduced.
第1噴射タイミングの後、圧縮行程における圧縮が進むにつれて、第1燃焼室21内の混合気が着火して燃焼する。このとき、第2燃焼室22は、第1燃焼室21とは空間的に分割されているため燃料がほとんど導入されていない。このため、第2燃焼室22では、燃料の燃焼によって生じる高温かつ低酸素な雰囲気場が形成されることがなく、第2噴射タイミングの燃焼に必要な空気が豊富に残存する。 After the first injection timing, as the compression in the compression stroke proceeds, the air-fuel mixture in the first combustion chamber 21 ignites and burns. At this time, since the second combustion chamber 22 is spatially divided from the first combustion chamber 21, the fuel is hardly introduced. For this reason, in the second combustion chamber 22, a high-temperature and low-oxygen atmosphere field generated by fuel combustion is not formed, and abundant air necessary for combustion at the second injection timing remains.
つづいて、燃料噴射インジェクタ3が、図5に示すように、上死点近傍における第2噴射タイミングで第2燃焼室22に対して燃料を噴射する。これにより、当該燃料は第2燃焼室22内の空気を取り込みながら燃焼する。このとき、第2燃焼室22に噴射された燃料は、第1噴射タイミングの燃焼によって第1燃焼室21に生じた高温かつ低酸素な雰囲気場との干渉が回避される。このため、空気が豊富に存在する第2燃焼室22では、燃料が過濃(リッチ)な領域が形成されにくく、スモークの排出量が低減する。 Subsequently, as shown in FIG. 5, the fuel injection injector 3 injects fuel into the second combustion chamber 22 at the second injection timing in the vicinity of the top dead center. Thereby, the fuel burns while taking in the air in the second combustion chamber 22. At this time, the fuel injected into the second combustion chamber 22 is prevented from interfering with the high-temperature and low-oxygen atmosphere field generated in the first combustion chamber 21 by the combustion at the first injection timing. For this reason, in the 2nd combustion chamber 22 in which air exists abundantly, the area | region where a fuel is rich (rich) is hard to be formed, and the discharge | emission amount of smoke reduces.
また、本実施形態では、第2燃焼室22の上端縁部に隆起された燃料導入用隆起部24が、噴射された燃料を第2燃焼室22にスムーズに導き入れるとともに、第1燃焼室21へ飛散するのを抑制する。このため、大部分の燃料が第2燃焼室22内に留まり、混合気の希薄化が抑制されるため、未燃物質の排出量が低減する。さらに、第2燃焼室22の中心部が、略円錐形状に隆起されているため、噴射に伴って第2燃焼室22内に渦輪を発生させ燃焼効率を向上する。 In the present embodiment, the fuel introduction raised portion 24 raised at the upper edge of the second combustion chamber 22 smoothly introduces the injected fuel into the second combustion chamber 22, and the first combustion chamber 21. Suppresses splashing into. For this reason, most of the fuel remains in the second combustion chamber 22 and the dilution of the air-fuel mixture is suppressed, so that the amount of unburned substances discharged is reduced. Further, since the central portion of the second combustion chamber 22 is raised in a substantially conical shape, a vortex ring is generated in the second combustion chamber 22 along with the injection to improve combustion efficiency.
さらに、本実施形態では、第1噴射量が第2噴射量の30〜50%に設定されている。このため、スモークの排出量が抑制されるとともに、熱効率の低下が防止され、騒音が低減する。また、本実施形態では、圧縮比が14以上16以下となるように、第1燃焼室21および第2燃焼室22の容積が設定されている。このため、熱効率の低下が必要最小限に抑制されるとともに、燃料と空気との混合が促進される。 Further, in the present embodiment, the first injection amount is set to 30 to 50% of the second injection amount. For this reason, the amount of smoke discharged is suppressed, the decrease in thermal efficiency is prevented, and the noise is reduced. In the present embodiment, the volumes of the first combustion chamber 21 and the second combustion chamber 22 are set so that the compression ratio is 14 or more and 16 or less. For this reason, a decrease in thermal efficiency is suppressed to a necessary minimum, and mixing of fuel and air is promoted.
以上のとおり、本発明においては、複数回に分けて噴射される燃料を二つの燃焼室(第1燃焼室21および第2燃焼室22)によって空間的に分割し、各燃焼室のそれぞれで別個独立に燃焼を生じさせる。これにより、先行する燃焼で生じた高温かつ低酸素な雰囲気場と、後続して噴射される燃料との干渉が回避され、各燃焼室における空気の利用率が促進されるため、スモークの排出量が低減する。 As described above, in the present invention, the fuel to be injected in a plurality of times is spatially divided by the two combustion chambers (the first combustion chamber 21 and the second combustion chamber 22), and is separately provided for each combustion chamber. Causes combustion independently. This avoids interference between the high-temperature and low-oxygen atmosphere field generated by the preceding combustion and the fuel injected subsequently, and promotes the utilization rate of air in each combustion chamber. Is reduced.
また、本発明においては、多段噴射式ディーゼルエンジン1の1動作(吸入行程・圧縮行程・膨張行程・排気行程)につき、燃料を複数回に分けて多段噴射する。このため、従来の多段噴射によって燃焼を行うディーゼルエンジンと同様、熱効率が向上するとともに、燃焼音が低減する。 Further, in the present invention, for one operation (intake stroke / compression stroke / expansion stroke / exhaust stroke) of the multi-stage injection diesel engine 1, the fuel is injected in multiple stages. For this reason, like a diesel engine that performs combustion by conventional multi-stage injection, thermal efficiency is improved and combustion noise is reduced.
以上のような本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン1、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジン1の制御方法によれば、以下のような効果を奏する。
1.熱効率の向上や燃焼音の低減を実現することはもとより、空気の利用率を高めてスモークや未燃物質の排出量を抑制することができる。
2.第1噴射タイミングおよび第2噴射タイミングを適切に設定することで、上記1の効果を高めることができる。
3.第1噴射タイミングおよび第2噴射タイミングでの噴射量を適切に設定することで、スモークの排出量を抑制するとともに熱効率の低下を防止し、騒音を低減することができる。
4.第1燃焼室21の傾斜された底面によって、噴射された燃料を妨げることなく漏れなく取り込んで第1燃焼室21へ導くことができる。
5.燃料巻上用返し部23によって、燃料がスキッシュエリアへ飛散するのを抑制して第1燃焼室21内に留まらせ、混合気の希薄化を抑制し、未燃物質の排出量を低減することができる。
6.燃料導入用隆起部24によって、燃料を第2燃焼室22へスムーズに導入するとともに、第1燃焼室21へ飛散するのを抑制して第2燃焼室22内に留まらせ、混合気の希薄化を抑制し、未燃物質の排出量を低減することができる。
According to the multistage injection type diesel engine 1 according to the present invention as described above, the mechanical device including the same, and the control method for the multistage injection type diesel engine 1, the following effects can be obtained.
1. In addition to realizing improved thermal efficiency and reduced combustion noise, it is possible to increase the air utilization rate and suppress the emission of smoke and unburned substances.
2. The above effect 1 can be enhanced by appropriately setting the first injection timing and the second injection timing.
3. By appropriately setting the injection amounts at the first injection timing and the second injection timing, it is possible to suppress the smoke discharge amount, prevent the thermal efficiency from decreasing, and reduce noise.
4). The inclined bottom surface of the first combustion chamber 21 can take in the injected fuel without omission and guide it to the first combustion chamber 21.
5. The fuel hoisting return portion 23 suppresses the fuel from scattering to the squish area and stays in the first combustion chamber 21 to suppress the dilution of the air-fuel mixture and reduce the amount of unburned substances discharged. Can do.
6). The fuel introduction ridge 24 smoothly introduces the fuel into the second combustion chamber 22, suppresses the fuel from scattering into the first combustion chamber 21, stays in the second combustion chamber 22, and dilutes the air-fuel mixture. Can be suppressed, and the amount of unburned substances discharged can be reduced.
つぎに、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン1、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジン1の制御方法の具体的な実施例について説明する。 Next, specific examples of the multi-stage injection type diesel engine 1 according to the present invention, a mechanical apparatus including the same, and a control method for the multi-stage injection type diesel engine 1 will be described.
本実施例1では、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン1の作用効果を確認するための数値シミュレーションを行った。 In the present Example 1, the numerical simulation for confirming the effect of the multistage injection type diesel engine 1 which concerns on this invention was performed.
具体的には、上述した本実施形態のピストン2を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン1において、第1噴射タイミングをクランク角度で上死点前35°(-35°CA ATDC)に設定し、第2噴射タイミングを上死点(0°CA ATDC)に設定した際における、シリンダ4内の気相当量比の分布をクランク角度で5°おきに算出した。なお、CAはクランク角度(Crank Angle)であり、ATDCは上死点後(After Top Dead Center)を意味する。 Specifically, in the multi-stage injection type diesel engine 1 including the piston 2 of the above-described embodiment, the first injection timing is set to 35 ° before top dead center (−35 ° CA ATDC) as a crank angle, The distribution of the gas phase equivalence ratio in the cylinder 4 when the 2 injection timing was set to the top dead center (0 ° CA ATDC) was calculated every 5 ° as the crank angle. Note that CA is a crank angle, and ATDC means After Top Dead Center.
また、比較例として、燃焼室が一つだけの従来型ピストンを備えたディーゼルエンジンにおいて、第1噴射タイミングおよび第2噴射タイミングを同様に設定し、シリンダ内の気相当量比の分布を算出した。その結果を図6に示す。なお、気相当量比とは、混合気内の空気と燃料の質量比を示すものであり、数値が大きいほど混合気内の燃料が多いことを表すものである。 As a comparative example, in a diesel engine having a conventional piston with only one combustion chamber, the first injection timing and the second injection timing were set in the same manner, and the distribution of the gas phase equivalence ratio in the cylinder was calculated. . The result is shown in FIG. The gas phase equivalent ratio indicates the mass ratio of air and fuel in the air-fuel mixture, and the larger the numerical value, the more fuel in the air-fuel mixture.
図6に示すように、本実施例1の多段噴射式ディーゼルエンジン1では、第1噴射タイミングで噴射された燃料のほとんどが、第1燃焼室21内で混合気を形成している。このため、当該第1燃焼室21内では混合気の希薄化が抑制されるため、未燃物質の排出量が低減するものと推測される。また、第2噴射タイミングで噴射された燃料のほとんどが第2燃焼室22内に導入され、高温かつ低酸素な雰囲気場(第1燃焼室21)との干渉が回避されている。このため、第2燃焼室22内では、燃料が空気と良好に混合されるため、スモークの排出量が低減するものと推測される。 As shown in FIG. 6, in the multistage injection diesel engine 1 of the first embodiment, most of the fuel injected at the first injection timing forms an air-fuel mixture in the first combustion chamber 21. For this reason, since the dilution of the air-fuel mixture is suppressed in the first combustion chamber 21, it is presumed that the discharge amount of unburned substances is reduced. Further, most of the fuel injected at the second injection timing is introduced into the second combustion chamber 22, and interference with the high temperature and low oxygen atmosphere field (first combustion chamber 21) is avoided. For this reason, in the 2nd combustion chamber 22, since fuel is well mixed with air, it is estimated that the amount of smoke discharged is reduced.
これに対し、比較例のディーゼルエンジンでは、第1噴射タイミングで噴射された燃料がスキッシュエリアにも進入し、混合気を形成している。このため、比較例の燃焼室では、混合気の希薄化により多量の未燃物質が排出され、熱効率の低下が懸念される。また、第2噴射タイミングでは、第1噴射タイミングによって生じた高温かつ低酸素な雰囲気場に、燃料が噴射されている。このため、第2噴射タイミングでの燃料は空気と混合されにくく、燃焼室内に過濃な領域を形成するため、スモークの排出量が増加するものと推測される。 On the other hand, in the diesel engine of the comparative example, the fuel injected at the first injection timing also enters the squish area and forms an air-fuel mixture. For this reason, in the combustion chamber of the comparative example, a large amount of unburned substances are discharged due to the dilution of the air-fuel mixture, and there is a concern that the thermal efficiency is lowered. Further, at the second injection timing, fuel is injected into a high-temperature and low-oxygen atmosphere field generated by the first injection timing. For this reason, the fuel at the second injection timing is unlikely to be mixed with air, and an excessively rich region is formed in the combustion chamber, so that it is presumed that the amount of smoke discharged increases.
以上の本実施例1によれば、本実施形態のピストン2を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン1は、燃料を空間的に分割する二つの燃焼室によって、各燃焼室における空気の利用率を促進し、スモークや未燃物質の排出量を抑制することができることが示された。 According to the first embodiment described above, the multistage injection diesel engine 1 including the piston 2 of the present embodiment promotes the air utilization rate in each combustion chamber by the two combustion chambers that spatially divide the fuel. It has been shown that smoke and unburned material emissions can be reduced.
本実施例2では、本発明に係る第1噴射タイミングの好適な範囲を特定するための数値シミュレーションを行った。 In Example 2, a numerical simulation for specifying a suitable range of the first injection timing according to the present invention was performed.
具体的には、上述した本実施形態のピストン2を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン1において、第2噴射タイミングは固定しつつ、第1噴射タイミングを異ならせた4つのケースを設定した。そして、各ケースについて、上述した本実施形態の制御方法に従って多段燃焼させた場合における、シリンダ4内の気相当量比の分布をクランク角度で5°おきに算出した。その結果を図7に示す。 Specifically, in the multi-stage injection type diesel engine 1 including the piston 2 of the present embodiment described above, four cases were set in which the first injection timing was varied while the second injection timing was fixed. Then, for each case, the distribution of the gas phase equivalence ratio in the cylinder 4 in the case of performing the multistage combustion according to the control method of the present embodiment described above was calculated every 5 ° in terms of the crank angle. The result is shown in FIG.
なお、第1噴射タイミングとしては、クランク角度で、上死点前40°(-40°CA ATDC)、上死点前35°(-35°CA ATDC)、上死点前30°(-30°CA ATDC)および上死点前25°(-25°CA ATDC)の4種類とした。また、第2噴射タイミングは、いずれのケースにおいても上死点(0°CA ATDC)とした。 As the first injection timing, the crank angle is 40 ° before top dead center (−40 ° CA ATDC), 35 ° before top dead center (−35 ° CA ATDC), and 30 ° before top dead center (−30 (° CA ATDC) and 25 ° before top dead center (−25 ° CA ATDC). The second injection timing was set to top dead center (0 ° CA ATDC) in any case.
図7に示すように、第1噴射タイミングが上死点前40°の場合、噴射された燃料のほとんどが第1燃焼室21ではなくスキッシュエリアに進入し、シリンダ壁の近傍で当量比の低い希薄な混合気が形成されている。このため、当該希薄な混合気では良好な燃焼が得られず、未燃物質が大量に排出されてしまうことが推測される。 As shown in FIG. 7, when the first injection timing is 40 ° before top dead center, most of the injected fuel enters the squish area instead of the first combustion chamber 21, and the equivalence ratio is low near the cylinder wall. A lean air-fuel mixture is formed. For this reason, it is presumed that good combustion cannot be obtained with the lean air-fuel mixture, and a large amount of unburned substances are discharged.
一方、第1噴射タイミングが上死点前30°および上死点前25°の場合、噴射された燃料が第1燃焼室21のみならず第2燃焼室22にも進入している。このため、第2燃焼室22内においても燃焼が発生し、高温かつ低酸素な雰囲気場が形成されることとなる。よって、後続の第2噴射タイミングの燃焼において、スモークの排出量が増大してしまうことが推測される。 On the other hand, when the first injection timing is 30 ° before top dead center and 25 ° before top dead center, the injected fuel enters not only the first combustion chamber 21 but also the second combustion chamber 22. For this reason, combustion also occurs in the second combustion chamber 22, and a high temperature and low oxygen atmosphere field is formed. Therefore, it is estimated that the amount of smoke discharged increases in the combustion at the subsequent second injection timing.
この点、第1噴射タイミングが上死点前35°の場合、図7に示すように、噴射された燃料のほとんどが第1燃焼室21に進入して留まり、適度な混合気を形成していることがわかる。よって、以上の本実施例2によれば、本発明に係る第1噴射タイミングとしては、クランク角度で上死点前40°を超えかつ上死点前30°未満の範囲で設定することが好ましく、クランク角度で上死点前35°が最も好ましいことが示された。この第1噴射タイミングによれば、噴射された燃料が燃料導入用隆起部24の上面側に吹き付けられることとなる。 In this regard, when the first injection timing is 35 ° before top dead center, as shown in FIG. 7, most of the injected fuel stays in the first combustion chamber 21 and forms an appropriate air-fuel mixture. I understand that. Therefore, according to the second embodiment described above, the first injection timing according to the present invention is preferably set in the range of the crank angle exceeding 40 ° before top dead center and less than 30 ° before top dead center. It was shown that the crank angle is most preferably 35 ° before top dead center. According to this first injection timing, the injected fuel is sprayed onto the upper surface side of the fuel introduction ridge 24.
つぎに、本実施例3では、実機エンジンを用いて、第1噴射タイミングの好適な範囲を確認する実験を行った。 Next, in the third embodiment, an experiment was performed to confirm a suitable range of the first injection timing using an actual engine.
具体的には、本実施形態のピストン2を取り付けた実際の多段噴射式ディーゼルエンジン1を用いて、第1噴射タイミングを異ならせた4つのケースについて試験運転した。そして、各ケースについて、一酸化炭素(CO)の排出量、スモークの排出量、未燃炭化水素(THC)の排出量および図示熱効率の4項目を測定した。 Specifically, a test operation was performed on four cases with different first injection timings using the actual multistage diesel engine 1 to which the piston 2 of the present embodiment was attached. For each case, four items were measured: carbon monoxide (CO) emissions, smoke emissions, unburned hydrocarbon (THC) emissions, and indicated thermal efficiency.
また、比較例として、燃焼室が一つだけの従来型ピストンを取り付けたディーゼルエンジンを用いて、同様の第1噴射タイミングで試験運転し、上記4項目を測定した。その結果を図8に示す。なお、第1噴射タイミングとしては、クランク角度で、上死点前40°(-40°CA ATDC)、上死点前35°(-35°CA ATDC)、上死点前30°(-30°CA ATDC)および上死点前25°(-25°CA ATDC)の4種類とした。 As a comparative example, a test operation was performed at the same first injection timing using a diesel engine equipped with a conventional piston having only one combustion chamber, and the above four items were measured. The result is shown in FIG. As the first injection timing, the crank angle is 40 ° before top dead center (−40 ° CA ATDC), 35 ° before top dead center (−35 ° CA ATDC), and 30 ° before top dead center (−30 (° CA ATDC) and 25 ° before top dead center (−25 ° CA ATDC).
図8に示すように、本実施例3では、第1噴射タイミングが実施例2で特定した最適なタイミングである上死点前35°の場合、スモークの排出量のみならず、一酸化炭素および未燃炭化水素の排出量も大幅に低減し、図示熱効率が高くなっている。これに対し、比較例では、第1噴射タイミングが上死点前35°の場合、スモークの排出量は低減するものの、一酸化炭素および未燃炭化水素は多量に排出されており、図示熱効率も大幅に低下している。 As shown in FIG. 8, in the third embodiment, when the first injection timing is 35 ° before top dead center, which is the optimal timing specified in the second embodiment, not only the smoke emission amount but also carbon monoxide and The amount of unburned hydrocarbon emissions is also greatly reduced, and the thermal efficiency shown in the figure is increased. On the other hand, in the comparative example, when the first injection timing is 35 ° before the top dead center, the smoke emission amount is reduced, but a large amount of carbon monoxide and unburned hydrocarbons are emitted, and the illustrated thermal efficiency is also improved. It has dropped significantly.
また、本実施例3においては、第1噴射タイミングが最適なタイミング(上死点前35°)から外れるに従って、一酸化炭素、スモークおよび未燃炭化水素の排出量が増大傾向となり、図示熱効率は低下傾向となっている。これは、第1噴射タイミングでの燃焼により生じた高温かつ低酸素な雰囲気場に、第2噴射タイミングによる燃料が進入していることに起因するものと考えられる。 Further, in Example 3, as the first injection timing deviates from the optimal timing (35 ° before top dead center), the emission amounts of carbon monoxide, smoke and unburned hydrocarbons tend to increase, and the indicated thermal efficiency is It is on a downward trend. This is considered to be caused by the fact that the fuel at the second injection timing enters the high temperature and low oxygen atmosphere generated by the combustion at the first injection timing.
以上の本実施例3によれば、本実施形態のピストン2を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン1は、従来型のピストンを備えたディーゼルエンジンと比較して、燃料の噴射タイミングを適切に設定することで、燃料が空間的に分割され、高い熱効率を保持したまま、一酸化炭素、スモークおよび未燃炭化水素の排出量を抑制できることが実証された。 According to the third embodiment described above, the multistage injection type diesel engine 1 including the piston 2 according to the present embodiment appropriately sets the fuel injection timing as compared with the diesel engine including the conventional piston. As a result, it was proved that the amount of carbon monoxide, smoke, and unburned hydrocarbons can be suppressed while the fuel is spatially divided and maintains high thermal efficiency.
本実施例4では、本発明に係る第2噴射タイミングの好適な範囲を特定するための数値シミュレーションを行った。 In Example 4, a numerical simulation for specifying a suitable range of the second injection timing according to the present invention was performed.
具体的には、上述した本実施形態のピストン2を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン1において、第1噴射タイミングは固定しつつ、第2噴射タイミングを異ならせた5つのケースを設定した。そして、各ケースについて、上述した本実施形態の制御方法に従って多段燃焼させた場合における、シリンダ4内の気相当量比の分布をクランク角度で2.5°おきに算出した。その結果を図9に示す。 Specifically, in the multi-stage injection type diesel engine 1 including the piston 2 of the above-described embodiment, five cases with different first injection timings and different first injection timings were set. Then, for each case, the distribution of the gas phase equivalence ratio in the cylinder 4 when the multistage combustion was performed according to the control method of the present embodiment described above was calculated every 2.5 ° as the crank angle. The result is shown in FIG.
なお、第1噴射タイミングは、いずれのケースにおいてもクランク角度で上死点前35°(-35°CA ATDC)に設定した。また、第2噴射タイミングとしては、クランク角度で、上死点前10°(-10°CA ATDC)、上死点前5°(-5°CA ATDC)、上死点(0°CA ATDC)、上死点後5°(5°CA ATDC)および上死点後10°(10°CA ATDC)の5種類とした。 The first injection timing was set to 35 ° before top dead center (−35 ° CA ATDC) in the crank angle in any case. Also, the second injection timing is 10 ° before top dead center (−10 ° CA ATDC), 5 ° before top dead center (−5 ° CA ATDC), and top dead center (0 ° CA ATDC). There were five types, 5 ° after top dead center (5 ° CA ATDC) and 10 ° after top dead center (10 ° CA ATDC).
上述したとおり、第2噴射タイミングは、燃料の大部分が第2燃焼室22に進入するように定めることでスモークの低減効果が得られる。この点、第2噴射タイミングが上死点後5°および上死点後10°の場合、図9に示すように、第1燃焼室21内に気相当量比の濃い混合気が形成されている。特に、上死点後10°の場合には、半分近い量の燃料が第1燃焼室21へ進入しているため、スモークの排出量が大幅に増大するものと推測される。 As described above, the second injection timing is determined such that most of the fuel enters the second combustion chamber 22, so that a smoke reduction effect can be obtained. In this regard, when the second injection timing is 5 ° after the top dead center and 10 ° after the top dead center, as shown in FIG. 9, an air-fuel mixture with a high gas phase equivalence ratio is formed in the first combustion chamber 21. Yes. In particular, in the case of 10 ° after the top dead center, since almost half of the fuel has entered the first combustion chamber 21, it is estimated that the amount of smoke discharged increases significantly.
一方、図9に示すように、第2噴射タイミングが上死点前10°から上死点0°までの範囲では、第2噴射タイミングでの燃料が第1燃焼室21内にあまり進入していない。特に、上死点前5°の場合に最も第2燃焼室22に導入されており、燃料が空間的に分配されている。すなわち、第1噴射タイミングでの燃焼によって高温かつ低酸素な雰囲気場となっている第1燃焼室21内に第2噴射タイミングでの燃料が進入しておらず、酸素が残存している第2燃焼室22内に導入されているため、スモークの排出量が大幅に低減することが推測される。 On the other hand, as shown in FIG. 9, when the second injection timing is in the range from 10 ° before top dead center to 0 ° top dead center, the fuel at the second injection timing has entered the first combustion chamber 21 so much. Absent. In particular, the fuel is introduced into the second combustion chamber 22 most in the case of 5 ° before top dead center, and the fuel is spatially distributed. That is, the fuel at the second injection timing does not enter the first combustion chamber 21 that is in a high-temperature and low-oxygen atmosphere due to the combustion at the first injection timing, and oxygen remains. Since it is introduced into the combustion chamber 22, it is estimated that the amount of smoke discharged is greatly reduced.
よって、以上の本実施例4によれば、本発明に係る第2噴射タイミングとしては、クランク角度で上死点前10°以上かつ上死点後5°未満の範囲で設定することが好ましく、クランク角度で上死点前5°が最も好ましいことが示された。この第2噴射タイミングによれば、噴射された燃料が燃料導入用隆起部24の下面側に吹き付けられることとなる。 Therefore, according to the fourth embodiment described above, the second injection timing according to the present invention is preferably set within a range of 10 ° or more before top dead center and less than 5 ° after top dead center as the crank angle. It was shown that the crank angle is most preferably 5 ° before top dead center. According to the second injection timing, the injected fuel is sprayed to the lower surface side of the fuel introduction ridge 24.
つぎに、本実施例5では、実機エンジンを用いて、第2噴射タイミングの好適な範囲を確認する実験を行った。 Next, in Example 5, an experiment for confirming a suitable range of the second injection timing using an actual engine was performed.
具体的には、本実施形態のピストン2を取り付けた実際の多段噴射式ディーゼルエンジン1を用いて、第2噴射タイミングを異ならせた3つのケースについて試験運転した。そして、各ケースについて、スモークの排出量を測定した。その結果を図10に示す。なお、第2噴射タイミングとしては、クランク角度で、上死点前5°(-5°CA ATDC)、上死点0°(0°CA ATDC)および上死点後5°(5°CA ATDC)の3種類とした。 Specifically, a test operation was performed for three cases with different second injection timings using the actual multistage diesel engine 1 to which the piston 2 of the present embodiment was attached. And the smoke discharge | emission amount was measured about each case. The result is shown in FIG. As the second injection timing, the crank angle is 5 ° before top dead center (−5 ° CA ATDC), top dead center 0 ° (0 ° CA ATDC), and 5 ° after top dead center (5 ° CA ATDC). ).
図10に示すように、スモークの排出量は、第2噴射タイミングが実施例4で特定した最適なタイミングである上死点前5°の場合に、最も低減されている。そして、この結果は、実施例4での数値シミュレーション結果と対応している。また、実験はしていないが、実施例4の結果より、第2噴射タイミングを上死点後10°とした場合、上死点後5°よりもスモークの排出量が増大するものと推測される。 As shown in FIG. 10, the smoke discharge amount is most reduced when the second injection timing is 5 ° before top dead center, which is the optimal timing specified in the fourth embodiment. This result corresponds to the numerical simulation result in the fourth embodiment. Moreover, although not experimented, from the result of Example 4, when the second injection timing is set to 10 ° after the top dead center, it is presumed that the smoke emission amount increases more than 5 ° after the top dead center. The
また、本実施例5において、第1噴射タイミングを上死点前35°に設定した際の上死点前5°および上死点0°(TDC:Top Dead Center)におけるシリンダ4内の温度分布を図11に示す。この温度環境は、第1噴射タイミングでの燃焼によって生じたものであるが、高温領域は第1燃焼室21側に集中している。 In the fifth embodiment, the temperature distribution in the cylinder 4 at 5 ° before top dead center and 0 ° top dead center (TDC) when the first injection timing is set to 35 ° before top dead center. Is shown in FIG. This temperature environment is caused by the combustion at the first injection timing, but the high temperature region is concentrated on the first combustion chamber 21 side.
一方、上述したとおり、スモークは第1噴射タイミングでの燃焼によって生じた高温かつ低酸素な雰囲気場に、第2噴射タイミングで噴射された燃料が進入することで生成される。この点、図9を参照すると、第2噴射タイミングが上死点前10°および上死点前5°の場合に、噴射された燃料が第1燃焼室21とは干渉しにくい位置関係となっている。よって、第2噴射タイミングを上死点前10°とした場合におけるスモークの排出量は、上死点前5°の場合と大きな差はないと考えられる。 On the other hand, as described above, the smoke is generated by the fuel injected at the second injection timing entering the high temperature and low oxygen atmosphere generated by the combustion at the first injection timing. In this regard, referring to FIG. 9, when the second injection timing is 10 ° before top dead center and 5 ° before top dead center, the injected fuel is in a positional relationship that hardly interferes with the first combustion chamber 21. ing. Therefore, it is considered that the amount of smoke discharged when the second injection timing is 10 ° before top dead center is not significantly different from the case of 5 ° before top dead center.
以上の本実施例5によれば、本実施形態のピストン2を備えた多段噴射式ディーゼルエンジン1において、第2噴射タイミングを上死点近傍で行う際、できるだけ第1燃焼室21へ進入する燃料が少なくなるように、噴射タイミングを定めることでスモークの排出量が低減されるため、有効であることが示された。 According to the fifth embodiment described above, in the multi-stage injection type diesel engine 1 having the piston 2 of the present embodiment, the fuel that enters the first combustion chamber 21 as much as possible when the second injection timing is performed near the top dead center. It has been shown that the smoke emission amount is reduced by determining the injection timing so that the amount of smoke is reduced, so that it is effective.
なお、本発明に係る多段噴射式ディーゼルエンジン1、およびこれを備えた機械装置ならびに多段噴射式ディーゼルエンジン1の制御方法は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。 The multistage injection diesel engine 1 according to the present invention, the mechanical device including the same, and the control method of the multistage injection diesel engine 1 are not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate. .
1 多段噴射式ディーゼルエンジン
2 ピストン
3 燃料噴射インジェクタ
4 シリンダ
20 キャビティ
21 第1燃焼室
22 第2燃焼室
23 燃料巻上用返し部
24 燃料導入用隆起部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Multistage injection type diesel engine 2 Piston 3 Fuel-injection injector 4 Cylinder 20 Cavity 21 1st combustion chamber 22 2nd combustion chamber 23 Fuel raising return part 24 Fuel introduction protruding part
Claims (10)
前記キャビティは、前記燃料噴射インジェクタの軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第1燃焼室と、前記第1燃焼室よりも小径の同心円状に形成され前記第1燃焼室よりも深い位置に凹設される第2燃焼室とを有しており、
前記燃料噴射インジェクタは、圧縮行程における第1噴射タイミングで前記第1燃焼室に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第2噴射タイミングで前記第2燃焼室に対して燃料を噴射する、多段噴射式ディーゼルエンジン。 A multistage injection diesel engine comprising a piston having a cavity on the top surface and a fuel injection injector capable of multistage injection of fuel toward the cavity,
The cavity is formed in a substantially circular shape in a plan view with respect to the axial center of the fuel injection injector, and is concentrically formed with a smaller diameter than the first combustion chamber. A second combustion chamber recessed in a deep position,
The fuel injection injector injects fuel into the first combustion chamber at a first injection timing in a compression stroke, and performs the second combustion at a second injection timing located near the top dead center in the compression stroke or expansion stroke. A multistage diesel engine that injects fuel into the chamber.
θ≦90°−θinj/2 ・・・式(1)
ただし、各符号は以下を表す。
θ:第1燃焼室の底面の傾斜角度[°]
θinj:燃料噴射インジェクタの噴口角[°] 4. The multistage according to claim 1, wherein a bottom surface of the first combustion chamber is inclined so as to become deeper toward an outer peripheral side, and an inclination angle thereof is expressed by the following formula (1). Injection diesel engine;
θ ≦ 90 ° −θinj / 2 Formula (1)
However, each symbol represents the following.
θ: Angle of inclination of the bottom of the first combustion chamber [°]
θinj: Fuel injector injector nozzle angle [°]
前記キャビティは、前記燃料噴射インジェクタの軸心に関して平面視で略円形状に凹設される第1燃焼室と、前記第1燃焼室よりも小径の同心円状に形成され前記第1燃焼室よりも深い位置に凹設される第2燃焼室とを有しており、
前記燃料噴射インジェクタは、圧縮行程における第1噴射タイミングで前記第1燃焼室に対して燃料を噴射するとともに、圧縮行程または膨張行程における上死点近傍に位置する第2噴射タイミングで前記第2燃焼室に対して燃料を噴射する、多段噴射式ディーゼルエンジンの制御方法。 A control method for a multi-stage injection diesel engine comprising a piston having a cavity on a top surface and a fuel injection injector capable of multi-stage injection of fuel toward the cavity,
The cavity is formed in a substantially circular shape in a plan view with respect to the axial center of the fuel injection injector, and is concentrically formed with a smaller diameter than the first combustion chamber. A second combustion chamber recessed in a deep position,
The fuel injection injector injects fuel into the first combustion chamber at a first injection timing in a compression stroke, and performs the second combustion at a second injection timing located near the top dead center in the compression stroke or expansion stroke. A control method for a multi-stage injection type diesel engine in which fuel is injected into a chamber.
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