JPH02149770A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はディーゼルエンジン、特に副室内で気化した燃
料の一部をプラズマ化することによりエンジン性能を一
層向上させたディーゼルエンジンに関するものである。

（従来の技術） ディーゼルエンジンは、乗用車、トラック、バス、作業
機械、船舶等に広く採用されているが、エンジンの振動
やノイズが比較的大きいことは周知のとおりである。さ
らに、運転条件に応じて過剰空気率（実空燃比／理論空
燃比）が変動するが、この変化により着火遅れ時間も変
化し、加速性や始動性が悪化する不具合があった。また
、ディーゼルエンジンの燃料として、小型エンジンでは
軽油、Ａ重油が使用され、中型及び大型エンジンにはＢ
、Ｃ重油が使用されている。これら燃料の品質の差によ
ってエンジン性能が左右され、特にセタン価の低い燃料
を用いると着火性が著しく悪くなり加速性が大幅に低下
する欠点がある。従って、運転条件が変化しても又粗悪
な品質の燃料を用いても良好なエンジン性能を維持でき
るディーゼルエンジンの開発が強く要請されている。

この課題を解決する方法として、副室内の燃料をプラズ
マ化させて燃焼させる方法が提案されており、例えば特
開昭５７−１１０７１７号公報に記載されている。この
既知のディーゼルエンジンでは、燃料噴射ノズルの噴射
動作に応じて作動するプラズマ点火栓を副室に設け、燃
料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧流の一部がプラズ
マ点火栓に直接当たるように構成されている。

（発明が解決しようとする課題） ディーゼルエンジンの燃料は気化しにくいため、燃料噴
射ノズルから噴射された燃料噴霧流の大部分は吸入され
た空気中で細い油滴状態にある。燃料又は燃料と空気の
混合気（以下総括して燃料という）を有効にプラズマ化
させることとプラズマ化した燃料を混合気に十分分散さ
せることが効率的燃焼に必要である。

上述した既知のプラズマ式ディーゼルエンジンでは、燃
料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧流中にプラズマ点
火栓が直接当たるように構成されており、−見したとこ
ろ、燃料のプラズマ化が効率的に達成できるようにみら
れるのであるが、その効果を試してみると着火遅れ等を
有効に改善し得ないのが実情であっる。

従って、本発明の目的は上述した欠点を除去し、副室に
噴射された燃料を効率よくプラズマ化させ、運転条件の
変化に対し及び低品質の燃料を用いても良好なエンジン
性能を維持できるディーゼルエンジンを堤供するもので
ある。

（課題を解決するための手段） 本発明によるディーゼルエンジンは、主燃焼室と、連絡
口を介して主燃焼室と連通ずる副室と、この副室に燃料
を噴射する燃料噴射ノズルと、燃料噴射ノズルの噴射動
作と同期し、副室内の気化燃料と空気との混合気の少な
くとも一部をプラズマ化するプラズマ発生プラグとを具
えたディーゼルエンジンにおいて、前記プラズマ発生プ
ラグ先端部を、燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧
流に直接さらされない位置であって、しかも前記副室内
壁部の表面付近に位置するように配置したことを特徴と
するものである。

（作　用） 本発明者は、プラズマを発生させるプラグ（栓）の先端
部分を燃料噴霧流が直接当たらない内壁部から、順次燃
料噴霧流に直接当たる位置まで設置位置を変え、そのプ
ラズマ化による効率例えば着火遅れ時間等について実験
を行なった。この実験結果より、燃料噴霧流がプラズマ
発生プラグ先端部即ち放電区域に直接当たる位置ではプ
ラズマ化の効果が発生せず、また該先端部が副室内壁表
面から９ｎｖ以上離間しても効果は認められず、内壁表
面付近例えば内壁表面から２ｍｍ程度離間した位置に装
着すると顕著な効果が生ずることが判明した。すなわち
、副室を円筒形状とし、その側壁の表面から２１１Ｒ１
の位置に放電区域が位置するようにプラズマ発生装置を
装着すると、過剰空気率が広い範囲に亘って変化しても
着火遅れ量が常に一定値に維持され着火遅れがほとんど
発生せず、しかも振動やノイズも大幅に低減することが
判明した。

さらに、低品質燃料を用いて運転しても着火遅れが大幅
に改善されることが判明した。従って、プラズマ発生装
置の放電部分（プラグ先端部）を燃料噴霧流が直接当た
らず、しかも該プラグ先端部を副室内壁表面付近に位置
するように構成すれば、混合気を有効にプラズマ化して
活性化することができ、エンジン性能を一層向上させる
ことができる。

（実施例） 第１図は本発明によるディーゼルエンジンの一実施例の
構成を示すものであり、第１図ａは副室及び主燃焼室の
周囲構成を示す線図、第１図す及びＣは副室の構成を示
す線図的斜視図、及び線図的断面図である。本例では予
燃室を有するディーゼルエンジンを例にして説明する。

主燃焼室１に噴口（連絡口）２を介して副室３を連通さ
せる。

副室３は円筒状の側壁３ａとその両端の対向する端壁３
ｂ及び３ｃとによって画成される円筒状の空間を以て構
成する。一方の端壁３ｂに燃料噴射ノズル４を装着し、
この燃料噴射ノズルから対向する他方の端壁３ｃに向け
て燃料を噴射する。側壁３ａの噴口２と対向する位置に
副室空間を臨むようにプラズマ発生プラグ５を装着する
。このプラズマ発生プラグ５は燃料噴射ノズル４の噴射
動作と同期して動作し、高圧直流放電により副室内の気
化した燃料と空気との混合気をプラズマ化する機能を果
たす。本発明では、プラズマ発生プラグ５の放電空間の
先端部が、側壁３ａの表面近傍に位置するように、望ま
しくは側壁の表面からの突出量が６ｍｍ以内となるよう
にプラズマ発生プラグを装着する。

燃料噴射ノズル４から噴射された燃料は、コーン状の燃
料噴霧流となり対向する端壁３ｃに一部分は衝突し、そ
の一部は端壁で反射し側壁３ａ方向に飛散する。残りの
燃料の一部分は端壁３ｃの表面に液膜を形成するであろ
うし、残部は微細な液滴で存在しよう。

第２図はプラズマ発生プラグの一例の構成を示すもので
あり、第２図ａは全体構成を示す断面図、第２図すは放
電区域即ちプラグ先端部の構成を示す断面図である。放
電電極１０は、ニッケル合金、タングステン合金等から
成り該電極の先端部１０ａは放電区域に位置づけする。

この放電電極１０は絶縁体１１を配置し、その外周に接
地電極１２を装着する。接地電極１２には放電電極１０
と対向して約２ｍＬ１φの円形の開口部１２ａを形成す
る。さらに、絶縁体１１の放電電極ｌＯと接地電極１２
とが対向する位置に深さ約１ｍｍで直径が約３１の凹部
を形成し、この凹部を放電空間１３とする。放電電極ｌ
Ｏと接地電極１２との間に例えば２５ｋＶの高圧直流電
源を接続し、燃料噴射ノズル４の燃料噴射動作と同期し
て放電電極１０と接地電極１２との間で放電を行う。本
例では、放電開始電圧を９　ｋＶ、１回当り１０μ秒の
間プラズマ放電エネルギー０，３５ジュールの放電を行
う。また燃料噴射、ノズル４は上死点前１５ＣＡ（クラ
ンク角度）の位置から燃料噴射を開始し、この燃料噴射
開始時から９ＣＡ遅らせて放電を開始させる。この場合
、放電開始電圧が９　ｋＶと高圧であること、放電電流
密度が極めて大きいこと、並びにｔｉｌ、電電圧が低電
圧となることよりアーク放電が生じていると考えられる
。前述したように、燃料噴射ノズル燃料が噴射され、気
化した燃料と空気の混合気が開口１２ａを介して放電空
間１３内に侵入し、放電開始電圧を印加するとことによ
り、両電極間にアーク放電が生じ、放電区域の混合気が
プラズマ化され、該プラズマされた高圧ガスが副室空間
内の混合気に、噴出し、混合され、混合気と衝突電離を
繰り返し混合気を一層活性化させる。従って、副室内に
帯留する混合気を全体として一層効率よく活性化させる
ためには放電区域に高濃度の混合気を供給する必要があ
り、本発明のように高濃度の気化燃料が帯留する位置す
なわち側壁３ａの表面付近にプラズマ発生装置の放電区
域を位置させることが極めて有効である。

以下、実験結果について説明する。まず、プラズマ発生
プラグ先端部の最適取付位置について検討した。第３図
に示すように、側壁３ａの最上壁面を基準にして放電空
間を２ｍｍ　Ｃ１＝　２ａｕｎ）　、９ｍｍ（ｆ＝９ｍ
ｍ）及び３３ｍｍ　（１！　＝３３ｍｍ）中央部に向け
て突出させた各条件下において、過剰空気率を変えなが
ら着火遅れ、振動及びノイズについて測定した。ちなみ
に１　＝３３ｍｍは、燃料噴射コーンの位置、ｌ−３ｍ
ｍ及び！＝９１は燃料噴射コーンの外側の位置である。

着火遅れは燃料噴射開始時から着火開始時までの時間を
表わしクランク角（ＣＡ）で表示する。また、着火開始
時は、副室の内圧が上死点付近又はそれ以後において急
激に上昇し始める時期とする。上死点前１５°から燃料
噴射を開始し、上死点前６°から放電を開始した。放電
の持続時間は１０μ秒である。また、セタン価４２．８
、蒸留性状（５０％）　１９７．５°Ｃの軽油を燃料と
して用いた。

まず、着火遅れを第４図ａ　−ｃに示す。第４図におい
て横軸は過剰空気率を示し、縦軸は着火遅れ量を示す。

第４図ａは放電空間を２ｍｌ１１突出させた条件下（Ａ
＝２ｍｍ）での実験結果、同図ａは９ｍｍ突出させた（
ｆ＝９ｍｍ）結果、同図Ｃは３３１１１Ｔ１１突出した
（　ｉ！、＝３３ｍｍ）結果を示す。破線はプラズマ放
電をさせないときの結果を示し、実線はプラズマ放電さ
せたときの結果をそれぞれ示す。第４図ａに示すように
、ｆｆｉ＝２ｍｍすなわち放電空間の先端部が内壁表面
から２ｍｍ突出させた場合、ブラズマ発生装置を動作さ
せない場合過剰空気率が増加するにつれて着火遅れ量は
直線的に増大している。

これに対して、プラズマ発生装置を動作させると過剰空
気率が約１．８から４．４まで変化しても着火遅れ量は
ほぼ一定している。しかも、着火遅れ量の値は過剰空気
率が１の場合にほぼ一致している。

従って、ｊ２−２ｎｍでプラズマ発生装置を動作させれ
ば、過剰空気率が変化しても、すなわち運転条件が変化
しても着火遅れはほとんど発生せず、プラズマ化の効果
は顕著であった。一方、第４図す及びＣに示すように、
１−９ｍＩＩ＋及びｆｆ１＝ｂラズマ発生装置を作動さ
せても、プラズマ発生装置が作動しない場合とほぼ同様
な実験結果となった。従って、ｆｆｉ＝９ｍｍ及びｌ　
＝３３ｍｍでプラズマ発生装置を作動させても着火遅れ
はほとんど改善されないことになる。この理由は、１−
９１では高濃度の混合気が放電区域に供給されにくいた
めと考えられ、またｆｆ１＝３３ａｕｏでは油滴状の燃
料噴霧流に直接さらされるためと考えられる。

第５図ａ及びｂは過剰空気率２．２において２＝２１１
１１１の条件下におけるプラズマ発生装置を動作させな
い場合と動作させた場合の燃焼室内圧力変化を示すグラ
フである。横軸はクランク角度（ＣＡ）を示す。第５図
ａに示すようにプラズマ発生装置を動作させない場合、
上死点（１８０°）をわずかに経過してから燃焼室の内
圧が象、上昇し始める。

一方、第５図すに示すようにプラズマ発生装置を作動さ
せると、燃焼室の圧力は上死点のわずかに前から急激な
上昇を開始し、上死点をわずかに経過した後にピークに
達する。この第５図に示す測定結果からもｊ２＝２ｍｍ
でプラズマ発生装置を作動することにより着火遅れが改
善されることは明らかである。

第６図ａ　−ｃは１　＝　２ｍｍ、　　９ｍｍ、　３３
ｍｍにおける過剰空気率と振動との関係をそれぞれ示す
。！−２ｍＬＬ１の場合、プラズマ発生装置を作動させ
ない場合過剰空気率が増大するにつれて振動も大きくな
り、過剰空気率が２を超える付近で最大となりその後徐
々に低下する。これに対して、プラズマ発生装置を作動
させるとエンジン振動を大幅に低下させることが出来た
。一方、ｆｆｆ−９Ｉｎ及び！＝３３＃ｌ１ｍの場合、
プラズマ発生装置を作動させた場合とさせない場合とで
有意の差異は全く認められなかった。

次に、低品質燃料に対するプラズマ化による効果につい
て説明する。本実験においては、セタン価４２．８、蒸
留性状（５０％点）　１９７．５°Ｃの軽油（軽油Ａと
称す）とセタン価３５．０、蒸留性状（５０％点）２２
０　’Ｃの低品質燃料（軽油Ｂと称す）について実験を
行ない比較した。実験に際し、放電空間の突出量！をｆ
ｆ１−２ｍｍに設定しプラズマ発生装置を作動させた場
合と作動させない場合について実験を行ないプラズマ化
による効果を確認した。第７図ａ及びｂは過剰空気率と
着火遅れとの関係を示すグラフである。第７図ａは軽油
Ａの結果を示し、第７図すは軽油Ｂの結果を示し、実線
はプラズマ発生装置を作動させた場合の結果を示し、破
線は作動させなかった場合の結果をそれぞれ示す。尚、
横軸は過剰空気率を示し、縦軸は着火遅れ量をクランク
角を用いて示す。第７図ａに示すように、軽油へを用い
た場合プラズマ発生装置を作動させると過剰空気率が増
大しても過剰空気率１の場合の着火遅れ量にほぼ維持さ
れている。第７図すに示すように、軽油Ｂ燃料を用いた
場合、プラズマ発生装置を作動させないと過剰空気率が
増大するに従って着火遅れ星は直線的に増大している。

これに対して、プラズマ発生装置を作動させると過剰空
気率が増大しても着火遅れ量はほぼ一定に維持され、し
かも着火遅れ量自体がプラズマ発生装置を作動させない
場合よりも一層小さな値となっている。この結果より明
らかなように、放電空間が側壁の表面付近に位置するよ
うにプラズマ発生装置を配置して混合気をプラズマ化す
れば、セタン価の低い燃料を用いて運転しても過剰空気
率の変化による着火遅れを大幅に改善することができる
。

本発明は上述した実施例に限定されず種々の変形や変更
が可能である。例えば、上述した実施例では円筒状の空
間を有する副室を具えるディーゼルエンジンを例にして
説明したが、種々の形状の副室を具えるディーゼルエン
ジンについても適用することができ、燃料噴射ノズルか
らの噴霧流に直接さらされず内壁付近に放電区域が位置
するようにプラズマ発生装置を配置すれば、勿論渦流式
の副室を有するディーゼルエンジンについも適用するこ
とができる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、気化燃料と空気と
の混合気を効率よくプラズマ化することができるので、
−層活性化した混合気を主燃焼室に供給することができ
る。この結果、過剰空気率が広い範囲に亘って変化して
も着火量をほぼ一定値に維持することができ、しかも振
動やノイズを一層低減することができる。さらに、低品
質の燃料を用いて運転しても同様に着火遅れ量が常に一
定に維持され着火遅れを一層改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ　−Ｃは本発明によるディーゼルエンジンの一
実施例の構成を示す線図、 第２図ａ及びｂはプラズマ発生装置の一例の構成を示す
断面図、 第３図は実験における放電区域の突出量を示す線図、 第４図ａ　−ｃは過剰空気率と着火遅れ量との関係を示
すグラフ、 第５図ａ及びｂは燃焼室内の圧力の変化を示すグラフ、 第６図ａ　−ｃは過剰空気率と振動の関係を示すグラフ
、 第７図ａ及びｂは軽油Ａ及び低品質燃料（軽油Ｂ）を用
いた場合における過剰空気率と着火遅れ量の関係を示す
グラフである。 １・・・主燃焼室　　　　　２・・・連絡口３・・・副
室　　　　　　　４・・・燃料噴射ノズル５・・・プラ
ズマ発生プラグ １０・・・放電電極 １１・・・絶縁体　　　　　　１２・・・接地電極１３
・・・放電空間 ０．００ ２．００　　　３θＱ 通側り糸車− ５、Ｑ６０．００ ２ｏｏ　　　　３．００　　　ｄ、００Ｊ＊−７ｆ粛摩
− ５θＯ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主燃焼室と、連絡口を介して主燃焼室と連通する副
   室と、この副室に燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、燃
   料噴射ノズルの噴射動作と同期し、副室内の燃料と空気
   との混合気の少なくとも一部をプラズマ化するプラズマ
   発生プラグとを具えたディーゼルエンジンにおいて、前
   記プラズマ発生プラグ先端部を、燃料噴射ノズルから噴
   射された燃料噴霧流に直接さらされない位置であって、
   しかも前記副室内壁部の表面付近に位置するように配置
   したことを特徴とするディーゼルエンジン。 ２、前記プラズマ発生プラグ先端部の接地電極先端から
   内壁表面までの距離を６ｍｍ以内に設定したことを特徴
   とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。