ジメチルエーテルエンジン
【課題】高効率の燃焼が得られるジメチルエーテルエンジンを提供する。
【解決手段】
燃料であるジメチルエーテルを燃焼室２に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジン１において、前記燃焼室２に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポート３と、非スワール状態の燃焼室２に、前記燃料を、放射状にかつ隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間のクリアランスがゼロとなるように噴射する複数の噴孔４が形成された噴射ノズル５とを備えたものである。
【解決手段】
燃料であるジメチルエーテルを燃焼室２に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジン１において、前記燃焼室２に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポート３と、非スワール状態の燃焼室２に、前記燃料を、放射状にかつ隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間のクリアランスがゼロとなるように噴射する複数の噴孔４が形成された噴射ノズル５とを備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）を燃料として用い、その燃料を燃焼室に直接噴射すると共に圧縮自己着火させるジメチルエーテルエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＤＭＥを燃料とするエンジン（ＤＭＥエンジン）の研究はさかんになされているが、その燃焼システムは、基本的に軽油の直噴式ディーゼルエンジン（以下、軽油エンジンという）と同様の燃焼システムが使われてきた（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図７および図８に、従来のＤＭＥエンジン１００を示す。このＤＭＥエンジン１００では、ピストン１０１に設けられた燃焼室１０２内に、噴射ノズル１０３に適当に設けた噴孔１０４から適当な噴射圧力により燃料１０５を放射状にかつ周方向に間隔（空気層）１０８を隔てて噴射し、その噴射された燃料１０５を、図示しない吸気ポートにより生成される適当な強さのスワール１０６を使用して吸気と混合し燃焼させる燃焼システムが使われてきた。図７および図８の例は、噴射ノズル１０３の噴孔数が６噴孔であり、スワール１０６が図示していない吸気ポートの形状（ヘリカルポートあるいはタンジェンシャルポート）により生成される。
【０００４】
燃焼システムとして、ＤＭＥのものが軽油のものと異なる部分は噴射ノズル１０３の噴孔径を大きめにして噴射圧を低めに設定している程度である。すなわち、ＤＭＥは、発熱量が軽油の約１／２程度であるため同一出力を得るために軽油に対して多くの噴射量を吹かねばならないことから、ＤＭＥエンジン１００では噴射ノズル１０３の噴孔径を軽油エンジンに比べて大きめにしている。また、ＤＭＥエンジン１００で噴射圧力を軽油エンジンに対し低めに設定しているのは（例えば、軽油エンジンが１２０ＭＰａ程度であるのに対しＤＭＥエンジン１００は６０ＭＰａ程度）、ＤＭＥの燃料の特性からＤＭＥは噴射ノズル１０３での噴射後に軽油に対し非常に早く気化するため必ずしも、高圧の噴射を必要としなかったためである。
【０００５】
燃焼室１０２の形状は軽油と同様のトロイダルなどが使われ、噴射ノズル１０３の噴孔数も４から８程度、スワール比も１から３程度と、圧縮比も軽油とほぼ同程度の１５から２０程度の燃焼システムが、現在までのＤＭＥエンジン１００で使われてきた。
【０００６】
このような燃焼システムにてＤＭＥエンジン１００は軽油エンジンと同様な熱効率をもつ性能が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１６３５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したように、噴射ノズル１０３の噴孔径や噴射圧のみを軽油に対して変更しただけの燃焼システムは必ずしもＤＭＥの特性を考えたときに最適な燃焼システムとはいえない。
【０００９】
特にＤＭＥの特性である噴射ノズル１０３より噴射された直後に軽油に対して極めて早く気化する点に着目すると、従来燃焼システムはＤＭＥの特性を十分に生かしきれていなかった。
【００１０】
すなわち、軽油エンジンではスワールをかけることで燃料噴霧の混合を促進しており、スワールの生成は燃焼改善に対して極めて重要な役割をしている。
【００１１】
しかし、スワールを生成することにより燃焼ガスから燃焼室の壁面へ熱が伝わり易くなり熱損失が増加する。また、スワールを生成するために吸気ポート形状にヘリカルポートなどを使用するが、これにより吸気の抵抗が増加しポンピング損失が増えて、吸入効率が下がるという問題点も生じる。
【００１２】
軽油エンジンにおいては、これらの問題点よりもスワールによる燃焼効率改善効果が大きく、スワールなしの燃焼システムは考えられなかった（舶用などの大型機関を除く）。
【００１３】
図７および図８に示すような従来のＤＭＥエンジン１００においても同様な燃焼システムが採用されてきたが、本発明者は、ＤＭＥエンジンにおいてはＤＭＥを噴射した後ＤＭＥがきわめて速やかに気化し吸気に混合していくため、軽油エンジンのようにスワールをかけることが必ずしも必要でないことを見出した。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高効率の燃焼が得られるジメチルエーテルエンジン（ＤＭＥエンジン）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために本発明は、燃料であるジメチルエーテルを燃焼室に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジンにおいて、前記燃焼室に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポートと、非スワール状態の燃焼室に、前記燃料を、放射状にかつ隣り合う燃料噴霧間のクリアランスがゼロとなるように噴射する複数の噴孔が形成された噴射ノズルとを備えたものである。
【００１６】
好ましくは、前記噴孔の数が１６以上に設定されたものである。
【００１７】
上記目的を達成するために本発明は、燃料であるジメチルエーテルを燃焼室に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジンにおいて、前記燃焼室に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポートと、前記燃焼室に臨み開口する噴孔が形成されると共に、その噴孔との間に、前記非スワール状態の燃焼室に前記燃料を傘状に噴射するための環状の隙間を形成する針弁が設けられた噴射ノズルとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高効率の燃焼が得られるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明に係る一実施形態によるＤＭＥエンジンの概略側断面図である。
【図２】図２は、本実施形態のピストンおよび燃焼室の平面図である。
【図３】図３は、本実施形態の噴射ノズルの模式的な側断面図である。
【図４】図４は、他の実施形態のＤＭＥエンジンの概略側断面図である。
【図５】図５は、他の実施形態のピストンおよび燃焼室の平面図である。
【図６】図６は、他の実施形態の噴射ノズルの模式的な側断面図である。
【図７】図７は、従来のＤＭＥエンジンにおけるピストンの概略側断面図である。
【図８】図８は、従来のＤＭＥエンジンにおけるピストンおよび燃焼室の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
（第１の実施形態）
まず、図１および図３に基づき第１の実施形態を説明する。
【００２２】
本実施形態に係るジメチルエーテルエンジン（以下、ＤＭＥエンジンという）は、例えばトラックなどの車両に搭載されるものである。
【００２３】
本実施形態のＤＭＥエンジンの概略構造を説明する。
【００２４】
図１に示すように、ＤＭＥエンジン１は、燃料であるジメチルエーテル（以下、ＤＭＥという）を燃焼室２に直接噴射して圧縮自己着火させるようにした直噴式のディーゼルエンジンであり、燃焼室２に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポート３と、複数の噴孔４が形成された噴射ノズル５とを備え、噴射ノズル５の噴孔４により非スワール状態の燃焼室２に燃料が放射状にかつ隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間のクリアランスがゼロとなるように噴射される。
【００２５】
より具体的には、ＤＭＥエンジン１は、燃焼室２が設けられたピストン１１と、そのピストン１１を往復動可能に収容するシリンダブロック１２と、そのシリンダブロック１２の上部に組み付けられたシリンダヘッド１３とを備える。ＤＭＥエンジン１は、例えば複数の燃焼室２（気筒）を有する多気筒エンジンである（図１では１気筒のみ示す）。
【００２６】
シリンダブロック１２には、上下に断面ほぼ円形で延びるシリンダボア（気筒）１４が形成され、そのシリンダボア１４の上端がシリンダヘッド１３により覆われる。このシリンダボア１４内にピストン１１が、シリンダボア１４に同心的にかつ、上下に摺動可能に配置される。
【００２７】
ピストン１１の外周面にはリング溝１１１が形成され、そのリング溝１１１にシリンダボア１４の内周面に摺接するピストンリング１１２が嵌め合わされる。
【００２８】
ピストン１１の頂部には燃焼室２が形成される。すなわち、ピストン１１の上面に、下方に窪む凹部２１が形成され、その凹部２１により燃焼室２が区画形成される。
【００２９】
その凹部２１は、底壁に設けられ上方に突出する突起部２２と、その突起部２２（底壁）を囲う側壁２３とを有する。突起部２２はピストン１１に同心的なほぼ円錐状に形成される。詳しくは後述するが、突起部２２は、燃料噴霧Ｆの噴霧角度（水平方向の傾斜角度）と同じ角度で傾斜する。側壁２３は、突起部２２（底壁）の周縁部から上方に延びると共に上方に至るにつれ拡径され、その上端がピストン１１の上面にて開口する。図例では、図２に示すように、上面視ほぼ円形をなすピストン１１の上面の中央部に、凹部２１がほぼ円形に開口する。
【００３０】
シリンダヘッド１３には、前記吸気ポート３と、その吸気ポート３を開閉する吸気バルブ６と、燃焼室２からの排気を排出する排気ポート１６と、その排気ポート１６を開閉する排気バルブ１７と、燃焼室２に燃料を噴射するための噴射ノズル５（インジェクタ）が設けられる。
【００３１】
吸気ポート３は、シリンダヘッド１３内に形成され、図示しない入口が吸気管（吸気マニホールド）に接続されると共に、出口（以下、ポート出口という）３１がシリンダヘッド１３の下面（ピストン１１の上面に対向する下面）にて開口する。
【００３２】
吸気バルブ６は、吸気ポート３を上下に貫通して延びる弁棒６１と、その弁棒６１の先端（下端）に設けられポート出口３１を下方から閉塞する弁体６２とを有する。この吸気バルブ６では、吸気行程にて図示しないカムにより弁棒６１を介して弁体６２が下方に押し下げられ、吸気ポート３からの吸気がポート出口３１と弁体６２との隙間を通りシリンダボア１４内に吸入（流入）するようになっている。
【００３３】
本実施形態の吸気ポート３は、ポート出口３１からシリンダボア１４に吸入される吸気が非スワール状態となるような形状（スワールを生成しない形状）に形成される。ここで、非スワール状態とは、スワール（シリンダボア１４の軸線Ｃまわりの旋回流）が実質的に生成されていない状態をいう。
【００３４】
より具体的には、吸気ポート３は、非ヘリカル形状の所謂ストレートポートからなり、かつポート出口３１からの吸気が、シリンダボア１４の接線方向に流れるのを抑制するようにポート出口３１の向き（吸気の流入方向）が設定される。図例では、吸気ポート３におけるポート出口３１近傍の部分３２が、シリンダボア１４の軸線方向（図１の上下方向）に沿った直線状に形成され、ポート出口３１からの吸気が旋回することなく燃焼室２に向かい直線的に下方に流出する。
【００３５】
噴射ノズル５は、燃料配管５１を介してコモンレール５２に接続され、そのコモンレール５２に蓄圧、貯留された所定の噴射圧（例えば約６０ＭＰａ）の高圧燃料が噴射ノズル５に供給される。
【００３６】
噴射ノズル５は、燃焼室２の中心部の上方に配置される。噴射ノズル５は、シリンダヘッド１３内を上下に延び、その下部が、シリンダヘッド１３の下面から下方に突出する。その突出した噴射ノズル５の下端（先端）に複数の噴孔４が形成される。
【００３７】
より詳細には、図３に示すように、噴射ノズル５は、上下に延びる挿通穴５３が内部に形成されたノズルボディ５４と、そのノズルボディ５４の挿通穴５３に昇降可能に（上下に移動可能）に収容された針弁５５とを備える。挿通穴５３の下端には、針弁５５を閉弁時に着座させるためのシート部５６が設けられ、そのシート部５６の下方には、ほぼ半球状のサック５７を区画形成するサック形成部５８が設けられる。そのサック形成部５８に、上記複数の噴孔４が設けられる。
【００３８】
それら噴孔４は、サック形成部５８の側面に周方向に等間隔で配置される。各噴孔４は、サック５７から径方向外側にサック形成部５８を貫通して、かつ下方に傾斜して延びる。
【００３９】
この噴射ノズル５では、針弁５５がリフトすると針弁５５とシート部５６との間を通り燃料がサック５７に流れ込み噴孔４から噴射されるようになっている。各噴孔４は、所定の噴射タイミングにて燃料が噴射された際に、その噴射された燃料が燃焼室２内に入るよう、かつ燃焼室２の側壁２３近傍に達するように噴射角度、噴孔径などが適宜設定される。
【００４０】
ここで、噴孔４の数は、スワールをかける従来の軽油ディーゼルの噴孔数（４−８程度）に比べて多数となっている。本実施形態では、噴射ノズル５の噴孔数を１６噴孔としている。また噴孔４の噴射方向を径方向としている。
【００４１】
噴射ノズル５の噴孔数は、必ずしも１６に規定する必要はなく、図２に示すように燃焼室２（ピストン１１）を上面視した場合に、隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間のクリアランスが燃料の着火時（或いは燃料噴霧Ｆの先端が燃焼室２の側壁２３に到達した時）にほぼゼロになるように設定される。好ましくは、噴孔数が１６以上に設定される。これは、非スワール状態では、噴孔数が１６未満の場合、隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間にクリアランスが生じる虞があるためである。
【００４２】
また、上述した燃焼室２の形状は本実施形態ではできるだけ噴霧形状に沿った形状とし燃料噴霧Ｆで燃焼室２が満たされるような形状とされる。そうすることによって燃焼室２内の空気（吸気）が有効に燃焼に使用可能となる。
【００４３】
次に、本実施形態のＤＭＥエンジン１の作用を説明する。
【００４４】
まず、吸気行程では吸気バルブ６が開弁されると共にピストン１１が下降し、吸気ポート３からシリンダボア１４内に吸気が吸入される。
【００４５】
このとき、吸気ポート３がストレートポートとなっていることから、所謂ヘリカルポートに比べて小さい抵抗で吸気が吸入される。また、吸気ポート３のポート出口３１の向きが、シリンダボア１４の軸線に平行（ピストン１１の上面に垂直）となっていることから、ポート出口３１からの吸気はシリンダボア１４の軸線まわりに旋回することがなく、シリンダボア１４内の吸入された吸気が非スワール状態となる。
【００４６】
吸気行程から圧縮行程に移行すると、吸気バルブ６が閉弁されると共にピストン１１が上昇し、シリンダボア１４（および燃焼室２）内の吸気が非スワール状態のまま圧縮される。さらに、所定の噴射タイミング（例えば圧縮行程後半）に達すると噴射ノズル５から非スワール状態の燃焼室２内に燃料が噴射される。
【００４７】
図１に示すように、燃料は、各噴孔４から径方向外側にかつ下方に傾斜して燃焼室２の側壁２３に向かい噴射される。その噴射された燃料は、霧化し気化して吸気（空気）と混合され、これにより図２に示すように末広がり（上面視扇状）の燃料噴霧Ｆが形成される。
【００４８】
その燃料噴霧Ｆが、圧縮上死点近傍にて自己着火して燃焼する。このとき、燃焼室２内にスワールがないことから、燃料の燃焼ガスもスワール（旋回流）とならない。そのため、燃焼ガスから燃焼室２の側壁２３への熱伝達が抑制され、吸気にスワールをかける場合に比べて熱損失が抑制される。
【００４９】
また、燃料噴霧Ｆが着火する際、燃焼室２内は、隣接する燃料噴霧Ｆの間に隙間（空気層）がない状態となっており、燃焼室２内のほとんどの空気（吸気）が燃料噴霧Ｆに混合される。すなわち、燃料を燃焼させるために、吸気が効率よく使用されることになる。
【００５０】
以上のように、本実施形態のＤＭＥエンジン１は、適切な燃料噴霧Ｆを形成し、かつスワールを使用しないものであり、本実施形態によれば、スワールを生成させないことにより、熱損失やポンピング損失を低減することができ、さらに吸入効率が改善されることと、それに適した適切な燃料噴霧Ｆを形成させることとを組み合わせることにより、熱効率の向上が可能となる。
【００５１】
すなわち、従来のＤＭＥエンジン１００（図７および図８参照）の燃料噴射はスワールを使用することを前提にオーバースワールを発生させないように噴射ノズル１０３の噴孔数を決めてきた。そのために、図８に示すようにスワールなしで噴射したときは隣り合う燃料噴霧１０５間に空気層１０８があるように設定されている。ＤＭＥを燃料として使用したときは燃料の気化の観点からはスワールは不要であるが従来のスワールを前提とした噴射を行った場合、噴射ノズルからの燃料噴霧１０５、１０５間の空気を燃焼にうまく活用できない。
【００５２】
これに対して、本実施形態のＤＭＥエンジン１では、スワールなしで噴射したときに隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間の空気層が着火時においてほぼゼロとなるように、噴射ノズル５の噴孔数、噴射方向を設定した。これにより、燃料に混合される（すなわち、燃焼に用いられる）吸気の量が従来のＤＭＥエンジン１００に比べて増加することとなり、ＤＭＥエンジン１の熱効率が向上する。さらに、燃焼室２内にスワールがないことから燃焼ガスから燃焼室２への伝熱が抑制され、これによっても熱効率が向上する。
【００５３】
また、本実施形態では、吸気ポート３をストレートポートとしているので、ヘリカルポートとする場合に比べて吸気を吸入する際の抵抗が低減し、ポンピング損失を低減させることができ、吸入効率を向上させることができる。
【００５４】
以上のように、本実施形態のＤＭＥエンジン１によれば、熱損失、ポンピングロスの少ない高い熱効率の燃焼を得ることができる。その結果、ＤＭＥの特性（すなわち軽油に比べて気化が速い）を生かした最適な燃焼システムを実現することができる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、図４から図６に基づき第２の実施形態を説明する。
【００５６】
本実施形態のＤＭＥエンジンは、上述した第１の実施形態のものに対して、噴射ノズルの先端部の構造が主に異なっており、他はほぼ同様の構成を有する。そこで、第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付し説明を省略する。
【００５７】
図４および図６に基づき本実施形態のＤＭＥエンジン１の概略構造を説明する。
【００５８】
本実施形態では、傘状噴霧を形成できるような噴射ノズルを使用しており、燃焼室２の形状は第１の実施形態と同様に噴霧形状に沿った形状とされる。また本実施形態でもスワールは生成させない。
【００５９】
より具体的には、図４に示すように、ＤＭＥエンジン１０は、燃料であるＤＭＥを燃焼室２に直接噴射するようにしたものであり、燃焼室２に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポート３と、燃焼室２に臨み開口する噴孔８が形成されると共に、その噴孔８を開閉するための針弁９（図６参照）が設けられた噴射ノズル７とを備え、燃料噴射時（開弁時）に針弁９が、非スワール状態の燃焼室２に燃料を傘状に噴射するための環状の隙間Ｇを、噴孔８との間に区画形成する。
【００６０】
図６に示すように、噴射ノズル７は、上下に延びるノズルボディ７２を備える。そのノズルボディ７２の下端部（先端部）には下方に臨み噴孔８が開口し、その噴孔８を開閉するための針弁９がノズルボディ７２内に昇降可能（上下に移動可能）に収容される。
【００６１】
より具体的には、ノズルボディ７２内に針弁９を収容するための挿通穴７３が形成され。その挿通穴７３の下端に針弁９の後述するテーパ部９３を着座させるためのシート部７４が形成される。
【００６２】
噴孔８は、挿通穴７３のシート部７４から下方にノズルボディ７２の先端部を貫通して延び、噴孔８の下端には、下方に至るにつれ拡径されたテーパ状の先開部７５が形成される。
【００６３】
針弁９は、挿通穴７３内を上下に延びる大径部９１と、その大径部９１から連続して下方に延びると共に下方に至るにつれ縮径されたテーパ部９３と、そのテーパ部９３から連続して下方に延びて噴孔８を挿通する軸部９４と、その軸部９４の下端に設けられ軸部９４よりも大径の弁端部９５とを有する。
【００６４】
図例の弁端部９５は、ポペット状に形成され、その弁端部９５の上面９５１が軸部９４から下方に傾斜して径方向外側に延出すると共に噴孔８の先開部７５の壁面に間隔を隔てて対向する。この弁端部９５と先開部７５との外周端部により、斜め下方に向いて開口する環状の隙間Ｇが区画形成される。
【００６５】
この噴射ノズル７では、針弁９がリフトされると、挿通穴７３内の燃料が、針弁９の軸部９４と噴孔８との間、および弁端部９５と先開部７５との間を通り、それら弁端部９５および先開部７５の外周端部の間（環状の隙間Ｇ）から燃焼室２内に噴射される。
【００６６】
すなわち、燃料噴射時には、開弁された針弁９と噴孔８との間に燃料通路が形成される。その燃料通路は先開きとなっており、その先開きにより非スワール状態の燃焼室２内に傘状の燃料噴霧Ｆが形成される。その傘状の燃料噴霧Ｆは、燃焼室２内の吸気に混合されつつ燃焼室２内に広がる。
【００６７】
本実施形態でも第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６８】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。
【００６９】
例えば、燃焼室は、浅皿形燃焼室やトロイダル形燃焼室など様々な形状が可能である。
【００７０】
噴射ノズルは、所謂ピントル形噴射弁やスロットル形噴射弁など様々な形状が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１、１０ ＤＭＥエンジン（ジメチルエーテルエンジン）
２ 燃焼室
３ 吸気ポート
４、８ 噴孔
５、７ 噴射ノズル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）を燃料として用い、その燃料を燃焼室に直接噴射すると共に圧縮自己着火させるジメチルエーテルエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＤＭＥを燃料とするエンジン（ＤＭＥエンジン）の研究はさかんになされているが、その燃焼システムは、基本的に軽油の直噴式ディーゼルエンジン（以下、軽油エンジンという）と同様の燃焼システムが使われてきた（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図７および図８に、従来のＤＭＥエンジン１００を示す。このＤＭＥエンジン１００では、ピストン１０１に設けられた燃焼室１０２内に、噴射ノズル１０３に適当に設けた噴孔１０４から適当な噴射圧力により燃料１０５を放射状にかつ周方向に間隔（空気層）１０８を隔てて噴射し、その噴射された燃料１０５を、図示しない吸気ポートにより生成される適当な強さのスワール１０６を使用して吸気と混合し燃焼させる燃焼システムが使われてきた。図７および図８の例は、噴射ノズル１０３の噴孔数が６噴孔であり、スワール１０６が図示していない吸気ポートの形状（ヘリカルポートあるいはタンジェンシャルポート）により生成される。
【０００４】
燃焼システムとして、ＤＭＥのものが軽油のものと異なる部分は噴射ノズル１０３の噴孔径を大きめにして噴射圧を低めに設定している程度である。すなわち、ＤＭＥは、発熱量が軽油の約１／２程度であるため同一出力を得るために軽油に対して多くの噴射量を吹かねばならないことから、ＤＭＥエンジン１００では噴射ノズル１０３の噴孔径を軽油エンジンに比べて大きめにしている。また、ＤＭＥエンジン１００で噴射圧力を軽油エンジンに対し低めに設定しているのは（例えば、軽油エンジンが１２０ＭＰａ程度であるのに対しＤＭＥエンジン１００は６０ＭＰａ程度）、ＤＭＥの燃料の特性からＤＭＥは噴射ノズル１０３での噴射後に軽油に対し非常に早く気化するため必ずしも、高圧の噴射を必要としなかったためである。
【０００５】
燃焼室１０２の形状は軽油と同様のトロイダルなどが使われ、噴射ノズル１０３の噴孔数も４から８程度、スワール比も１から３程度と、圧縮比も軽油とほぼ同程度の１５から２０程度の燃焼システムが、現在までのＤＭＥエンジン１００で使われてきた。
【０００６】
このような燃焼システムにてＤＭＥエンジン１００は軽油エンジンと同様な熱効率をもつ性能が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１６３５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したように、噴射ノズル１０３の噴孔径や噴射圧のみを軽油に対して変更しただけの燃焼システムは必ずしもＤＭＥの特性を考えたときに最適な燃焼システムとはいえない。
【０００９】
特にＤＭＥの特性である噴射ノズル１０３より噴射された直後に軽油に対して極めて早く気化する点に着目すると、従来燃焼システムはＤＭＥの特性を十分に生かしきれていなかった。
【００１０】
すなわち、軽油エンジンではスワールをかけることで燃料噴霧の混合を促進しており、スワールの生成は燃焼改善に対して極めて重要な役割をしている。
【００１１】
しかし、スワールを生成することにより燃焼ガスから燃焼室の壁面へ熱が伝わり易くなり熱損失が増加する。また、スワールを生成するために吸気ポート形状にヘリカルポートなどを使用するが、これにより吸気の抵抗が増加しポンピング損失が増えて、吸入効率が下がるという問題点も生じる。
【００１２】
軽油エンジンにおいては、これらの問題点よりもスワールによる燃焼効率改善効果が大きく、スワールなしの燃焼システムは考えられなかった（舶用などの大型機関を除く）。
【００１３】
図７および図８に示すような従来のＤＭＥエンジン１００においても同様な燃焼システムが採用されてきたが、本発明者は、ＤＭＥエンジンにおいてはＤＭＥを噴射した後ＤＭＥがきわめて速やかに気化し吸気に混合していくため、軽油エンジンのようにスワールをかけることが必ずしも必要でないことを見出した。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高効率の燃焼が得られるジメチルエーテルエンジン（ＤＭＥエンジン）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために本発明は、燃料であるジメチルエーテルを燃焼室に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジンにおいて、前記燃焼室に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポートと、非スワール状態の燃焼室に、前記燃料を、放射状にかつ隣り合う燃料噴霧間のクリアランスがゼロとなるように噴射する複数の噴孔が形成された噴射ノズルとを備えたものである。
【００１６】
好ましくは、前記噴孔の数が１６以上に設定されたものである。
【００１７】
上記目的を達成するために本発明は、燃料であるジメチルエーテルを燃焼室に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジンにおいて、前記燃焼室に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポートと、前記燃焼室に臨み開口する噴孔が形成されると共に、その噴孔との間に、前記非スワール状態の燃焼室に前記燃料を傘状に噴射するための環状の隙間を形成する針弁が設けられた噴射ノズルとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高効率の燃焼が得られるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明に係る一実施形態によるＤＭＥエンジンの概略側断面図である。
【図２】図２は、本実施形態のピストンおよび燃焼室の平面図である。
【図３】図３は、本実施形態の噴射ノズルの模式的な側断面図である。
【図４】図４は、他の実施形態のＤＭＥエンジンの概略側断面図である。
【図５】図５は、他の実施形態のピストンおよび燃焼室の平面図である。
【図６】図６は、他の実施形態の噴射ノズルの模式的な側断面図である。
【図７】図７は、従来のＤＭＥエンジンにおけるピストンの概略側断面図である。
【図８】図８は、従来のＤＭＥエンジンにおけるピストンおよび燃焼室の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
（第１の実施形態）
まず、図１および図３に基づき第１の実施形態を説明する。
【００２２】
本実施形態に係るジメチルエーテルエンジン（以下、ＤＭＥエンジンという）は、例えばトラックなどの車両に搭載されるものである。
【００２３】
本実施形態のＤＭＥエンジンの概略構造を説明する。
【００２４】
図１に示すように、ＤＭＥエンジン１は、燃料であるジメチルエーテル（以下、ＤＭＥという）を燃焼室２に直接噴射して圧縮自己着火させるようにした直噴式のディーゼルエンジンであり、燃焼室２に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポート３と、複数の噴孔４が形成された噴射ノズル５とを備え、噴射ノズル５の噴孔４により非スワール状態の燃焼室２に燃料が放射状にかつ隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間のクリアランスがゼロとなるように噴射される。
【００２５】
より具体的には、ＤＭＥエンジン１は、燃焼室２が設けられたピストン１１と、そのピストン１１を往復動可能に収容するシリンダブロック１２と、そのシリンダブロック１２の上部に組み付けられたシリンダヘッド１３とを備える。ＤＭＥエンジン１は、例えば複数の燃焼室２（気筒）を有する多気筒エンジンである（図１では１気筒のみ示す）。
【００２６】
シリンダブロック１２には、上下に断面ほぼ円形で延びるシリンダボア（気筒）１４が形成され、そのシリンダボア１４の上端がシリンダヘッド１３により覆われる。このシリンダボア１４内にピストン１１が、シリンダボア１４に同心的にかつ、上下に摺動可能に配置される。
【００２７】
ピストン１１の外周面にはリング溝１１１が形成され、そのリング溝１１１にシリンダボア１４の内周面に摺接するピストンリング１１２が嵌め合わされる。
【００２８】
ピストン１１の頂部には燃焼室２が形成される。すなわち、ピストン１１の上面に、下方に窪む凹部２１が形成され、その凹部２１により燃焼室２が区画形成される。
【００２９】
その凹部２１は、底壁に設けられ上方に突出する突起部２２と、その突起部２２（底壁）を囲う側壁２３とを有する。突起部２２はピストン１１に同心的なほぼ円錐状に形成される。詳しくは後述するが、突起部２２は、燃料噴霧Ｆの噴霧角度（水平方向の傾斜角度）と同じ角度で傾斜する。側壁２３は、突起部２２（底壁）の周縁部から上方に延びると共に上方に至るにつれ拡径され、その上端がピストン１１の上面にて開口する。図例では、図２に示すように、上面視ほぼ円形をなすピストン１１の上面の中央部に、凹部２１がほぼ円形に開口する。
【００３０】
シリンダヘッド１３には、前記吸気ポート３と、その吸気ポート３を開閉する吸気バルブ６と、燃焼室２からの排気を排出する排気ポート１６と、その排気ポート１６を開閉する排気バルブ１７と、燃焼室２に燃料を噴射するための噴射ノズル５（インジェクタ）が設けられる。
【００３１】
吸気ポート３は、シリンダヘッド１３内に形成され、図示しない入口が吸気管（吸気マニホールド）に接続されると共に、出口（以下、ポート出口という）３１がシリンダヘッド１３の下面（ピストン１１の上面に対向する下面）にて開口する。
【００３２】
吸気バルブ６は、吸気ポート３を上下に貫通して延びる弁棒６１と、その弁棒６１の先端（下端）に設けられポート出口３１を下方から閉塞する弁体６２とを有する。この吸気バルブ６では、吸気行程にて図示しないカムにより弁棒６１を介して弁体６２が下方に押し下げられ、吸気ポート３からの吸気がポート出口３１と弁体６２との隙間を通りシリンダボア１４内に吸入（流入）するようになっている。
【００３３】
本実施形態の吸気ポート３は、ポート出口３１からシリンダボア１４に吸入される吸気が非スワール状態となるような形状（スワールを生成しない形状）に形成される。ここで、非スワール状態とは、スワール（シリンダボア１４の軸線Ｃまわりの旋回流）が実質的に生成されていない状態をいう。
【００３４】
より具体的には、吸気ポート３は、非ヘリカル形状の所謂ストレートポートからなり、かつポート出口３１からの吸気が、シリンダボア１４の接線方向に流れるのを抑制するようにポート出口３１の向き（吸気の流入方向）が設定される。図例では、吸気ポート３におけるポート出口３１近傍の部分３２が、シリンダボア１４の軸線方向（図１の上下方向）に沿った直線状に形成され、ポート出口３１からの吸気が旋回することなく燃焼室２に向かい直線的に下方に流出する。
【００３５】
噴射ノズル５は、燃料配管５１を介してコモンレール５２に接続され、そのコモンレール５２に蓄圧、貯留された所定の噴射圧（例えば約６０ＭＰａ）の高圧燃料が噴射ノズル５に供給される。
【００３６】
噴射ノズル５は、燃焼室２の中心部の上方に配置される。噴射ノズル５は、シリンダヘッド１３内を上下に延び、その下部が、シリンダヘッド１３の下面から下方に突出する。その突出した噴射ノズル５の下端（先端）に複数の噴孔４が形成される。
【００３７】
より詳細には、図３に示すように、噴射ノズル５は、上下に延びる挿通穴５３が内部に形成されたノズルボディ５４と、そのノズルボディ５４の挿通穴５３に昇降可能に（上下に移動可能）に収容された針弁５５とを備える。挿通穴５３の下端には、針弁５５を閉弁時に着座させるためのシート部５６が設けられ、そのシート部５６の下方には、ほぼ半球状のサック５７を区画形成するサック形成部５８が設けられる。そのサック形成部５８に、上記複数の噴孔４が設けられる。
【００３８】
それら噴孔４は、サック形成部５８の側面に周方向に等間隔で配置される。各噴孔４は、サック５７から径方向外側にサック形成部５８を貫通して、かつ下方に傾斜して延びる。
【００３９】
この噴射ノズル５では、針弁５５がリフトすると針弁５５とシート部５６との間を通り燃料がサック５７に流れ込み噴孔４から噴射されるようになっている。各噴孔４は、所定の噴射タイミングにて燃料が噴射された際に、その噴射された燃料が燃焼室２内に入るよう、かつ燃焼室２の側壁２３近傍に達するように噴射角度、噴孔径などが適宜設定される。
【００４０】
ここで、噴孔４の数は、スワールをかける従来の軽油ディーゼルの噴孔数（４−８程度）に比べて多数となっている。本実施形態では、噴射ノズル５の噴孔数を１６噴孔としている。また噴孔４の噴射方向を径方向としている。
【００４１】
噴射ノズル５の噴孔数は、必ずしも１６に規定する必要はなく、図２に示すように燃焼室２（ピストン１１）を上面視した場合に、隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間のクリアランスが燃料の着火時（或いは燃料噴霧Ｆの先端が燃焼室２の側壁２３に到達した時）にほぼゼロになるように設定される。好ましくは、噴孔数が１６以上に設定される。これは、非スワール状態では、噴孔数が１６未満の場合、隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間にクリアランスが生じる虞があるためである。
【００４２】
また、上述した燃焼室２の形状は本実施形態ではできるだけ噴霧形状に沿った形状とし燃料噴霧Ｆで燃焼室２が満たされるような形状とされる。そうすることによって燃焼室２内の空気（吸気）が有効に燃焼に使用可能となる。
【００４３】
次に、本実施形態のＤＭＥエンジン１の作用を説明する。
【００４４】
まず、吸気行程では吸気バルブ６が開弁されると共にピストン１１が下降し、吸気ポート３からシリンダボア１４内に吸気が吸入される。
【００４５】
このとき、吸気ポート３がストレートポートとなっていることから、所謂ヘリカルポートに比べて小さい抵抗で吸気が吸入される。また、吸気ポート３のポート出口３１の向きが、シリンダボア１４の軸線に平行（ピストン１１の上面に垂直）となっていることから、ポート出口３１からの吸気はシリンダボア１４の軸線まわりに旋回することがなく、シリンダボア１４内の吸入された吸気が非スワール状態となる。
【００４６】
吸気行程から圧縮行程に移行すると、吸気バルブ６が閉弁されると共にピストン１１が上昇し、シリンダボア１４（および燃焼室２）内の吸気が非スワール状態のまま圧縮される。さらに、所定の噴射タイミング（例えば圧縮行程後半）に達すると噴射ノズル５から非スワール状態の燃焼室２内に燃料が噴射される。
【００４７】
図１に示すように、燃料は、各噴孔４から径方向外側にかつ下方に傾斜して燃焼室２の側壁２３に向かい噴射される。その噴射された燃料は、霧化し気化して吸気（空気）と混合され、これにより図２に示すように末広がり（上面視扇状）の燃料噴霧Ｆが形成される。
【００４８】
その燃料噴霧Ｆが、圧縮上死点近傍にて自己着火して燃焼する。このとき、燃焼室２内にスワールがないことから、燃料の燃焼ガスもスワール（旋回流）とならない。そのため、燃焼ガスから燃焼室２の側壁２３への熱伝達が抑制され、吸気にスワールをかける場合に比べて熱損失が抑制される。
【００４９】
また、燃料噴霧Ｆが着火する際、燃焼室２内は、隣接する燃料噴霧Ｆの間に隙間（空気層）がない状態となっており、燃焼室２内のほとんどの空気（吸気）が燃料噴霧Ｆに混合される。すなわち、燃料を燃焼させるために、吸気が効率よく使用されることになる。
【００５０】
以上のように、本実施形態のＤＭＥエンジン１は、適切な燃料噴霧Ｆを形成し、かつスワールを使用しないものであり、本実施形態によれば、スワールを生成させないことにより、熱損失やポンピング損失を低減することができ、さらに吸入効率が改善されることと、それに適した適切な燃料噴霧Ｆを形成させることとを組み合わせることにより、熱効率の向上が可能となる。
【００５１】
すなわち、従来のＤＭＥエンジン１００（図７および図８参照）の燃料噴射はスワールを使用することを前提にオーバースワールを発生させないように噴射ノズル１０３の噴孔数を決めてきた。そのために、図８に示すようにスワールなしで噴射したときは隣り合う燃料噴霧１０５間に空気層１０８があるように設定されている。ＤＭＥを燃料として使用したときは燃料の気化の観点からはスワールは不要であるが従来のスワールを前提とした噴射を行った場合、噴射ノズルからの燃料噴霧１０５、１０５間の空気を燃焼にうまく活用できない。
【００５２】
これに対して、本実施形態のＤＭＥエンジン１では、スワールなしで噴射したときに隣り合う燃料噴霧Ｆ、Ｆ間の空気層が着火時においてほぼゼロとなるように、噴射ノズル５の噴孔数、噴射方向を設定した。これにより、燃料に混合される（すなわち、燃焼に用いられる）吸気の量が従来のＤＭＥエンジン１００に比べて増加することとなり、ＤＭＥエンジン１の熱効率が向上する。さらに、燃焼室２内にスワールがないことから燃焼ガスから燃焼室２への伝熱が抑制され、これによっても熱効率が向上する。
【００５３】
また、本実施形態では、吸気ポート３をストレートポートとしているので、ヘリカルポートとする場合に比べて吸気を吸入する際の抵抗が低減し、ポンピング損失を低減させることができ、吸入効率を向上させることができる。
【００５４】
以上のように、本実施形態のＤＭＥエンジン１によれば、熱損失、ポンピングロスの少ない高い熱効率の燃焼を得ることができる。その結果、ＤＭＥの特性（すなわち軽油に比べて気化が速い）を生かした最適な燃焼システムを実現することができる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、図４から図６に基づき第２の実施形態を説明する。
【００５６】
本実施形態のＤＭＥエンジンは、上述した第１の実施形態のものに対して、噴射ノズルの先端部の構造が主に異なっており、他はほぼ同様の構成を有する。そこで、第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付し説明を省略する。
【００５７】
図４および図６に基づき本実施形態のＤＭＥエンジン１の概略構造を説明する。
【００５８】
本実施形態では、傘状噴霧を形成できるような噴射ノズルを使用しており、燃焼室２の形状は第１の実施形態と同様に噴霧形状に沿った形状とされる。また本実施形態でもスワールは生成させない。
【００５９】
より具体的には、図４に示すように、ＤＭＥエンジン１０は、燃料であるＤＭＥを燃焼室２に直接噴射するようにしたものであり、燃焼室２に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポート３と、燃焼室２に臨み開口する噴孔８が形成されると共に、その噴孔８を開閉するための針弁９（図６参照）が設けられた噴射ノズル７とを備え、燃料噴射時（開弁時）に針弁９が、非スワール状態の燃焼室２に燃料を傘状に噴射するための環状の隙間Ｇを、噴孔８との間に区画形成する。
【００６０】
図６に示すように、噴射ノズル７は、上下に延びるノズルボディ７２を備える。そのノズルボディ７２の下端部（先端部）には下方に臨み噴孔８が開口し、その噴孔８を開閉するための針弁９がノズルボディ７２内に昇降可能（上下に移動可能）に収容される。
【００６１】
より具体的には、ノズルボディ７２内に針弁９を収容するための挿通穴７３が形成され。その挿通穴７３の下端に針弁９の後述するテーパ部９３を着座させるためのシート部７４が形成される。
【００６２】
噴孔８は、挿通穴７３のシート部７４から下方にノズルボディ７２の先端部を貫通して延び、噴孔８の下端には、下方に至るにつれ拡径されたテーパ状の先開部７５が形成される。
【００６３】
針弁９は、挿通穴７３内を上下に延びる大径部９１と、その大径部９１から連続して下方に延びると共に下方に至るにつれ縮径されたテーパ部９３と、そのテーパ部９３から連続して下方に延びて噴孔８を挿通する軸部９４と、その軸部９４の下端に設けられ軸部９４よりも大径の弁端部９５とを有する。
【００６４】
図例の弁端部９５は、ポペット状に形成され、その弁端部９５の上面９５１が軸部９４から下方に傾斜して径方向外側に延出すると共に噴孔８の先開部７５の壁面に間隔を隔てて対向する。この弁端部９５と先開部７５との外周端部により、斜め下方に向いて開口する環状の隙間Ｇが区画形成される。
【００６５】
この噴射ノズル７では、針弁９がリフトされると、挿通穴７３内の燃料が、針弁９の軸部９４と噴孔８との間、および弁端部９５と先開部７５との間を通り、それら弁端部９５および先開部７５の外周端部の間（環状の隙間Ｇ）から燃焼室２内に噴射される。
【００６６】
すなわち、燃料噴射時には、開弁された針弁９と噴孔８との間に燃料通路が形成される。その燃料通路は先開きとなっており、その先開きにより非スワール状態の燃焼室２内に傘状の燃料噴霧Ｆが形成される。その傘状の燃料噴霧Ｆは、燃焼室２内の吸気に混合されつつ燃焼室２内に広がる。
【００６７】
本実施形態でも第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６８】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。
【００６９】
例えば、燃焼室は、浅皿形燃焼室やトロイダル形燃焼室など様々な形状が可能である。
【００７０】
噴射ノズルは、所謂ピントル形噴射弁やスロットル形噴射弁など様々な形状が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１、１０ ＤＭＥエンジン（ジメチルエーテルエンジン）
２ 燃焼室
３ 吸気ポート
４、８ 噴孔
５、７ 噴射ノズル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料であるジメチルエーテルを燃焼室に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジンにおいて、
前記燃焼室に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポートと、
非スワール状態の燃焼室に、前記燃料を、放射状にかつ隣り合う燃料噴霧間のクリアランスがゼロとなるように噴射する複数の噴孔が形成された噴射ノズルとを備えたことを特徴とするジメチルエーテルエンジン。
【請求項２】
前記噴孔の数が１６以上に設定された請求項１記載のジメチルエーテルエンジン。
【請求項３】
燃料であるジメチルエーテルを燃焼室に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジンにおいて、
前記燃焼室に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポートと、
前記燃焼室に臨み開口する噴孔が形成されると共に、その噴孔との間に前記非スワール状態の燃焼室に前記燃料を傘状に噴射するための環状の隙間を形成する針弁が設けられた噴射ノズルとを備えたことを特徴とするジメチルエーテルエンジン。
【請求項１】
燃料であるジメチルエーテルを燃焼室に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジンにおいて、
前記燃焼室に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポートと、
非スワール状態の燃焼室に、前記燃料を、放射状にかつ隣り合う燃料噴霧間のクリアランスがゼロとなるように噴射する複数の噴孔が形成された噴射ノズルとを備えたことを特徴とするジメチルエーテルエンジン。
【請求項２】
前記噴孔の数が１６以上に設定された請求項１記載のジメチルエーテルエンジン。
【請求項３】
燃料であるジメチルエーテルを燃焼室に直接噴射するようにしたジメチルエーテルエンジンにおいて、
前記燃焼室に吸気を非スワール状態で供給する吸気ポートと、
前記燃焼室に臨み開口する噴孔が形成されると共に、その噴孔との間に前記非スワール状態の燃焼室に前記燃料を傘状に噴射するための環状の隙間を形成する針弁が設けられた噴射ノズルとを備えたことを特徴とするジメチルエーテルエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−５２６１７（Ｐ２０１１−５２６１７Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０２９７５（Ｐ２００９−２０２９７５）
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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