CN105275697B

CN105275697B - 柴油发动机

Info

Publication number: CN105275697B
Application number: CN201510302432.2A
Authority: CN
Inventors: 志茂大辅; 金尚奎; 平林千典; 难波真; 宫崎正浩; 加藤雄大
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: JP6160564B2; US9897059B2; DE102015007213A1; CN105275697A; DE102015007213B4; US20150354519A1; JP2015232288A

Abstract

本发明提供一种柴油发动机。在从燃料喷射阀的中心轴至腔的唇部中的向径向内侧最突出的部分的连接距离设为唇部半径R（mm）、燃料喷射阀的喷孔的轴方向长度设为喷孔长度L（mm）、喷孔的直径设为喷孔径D（mm）、汽缸的半径设为缸孔半径B（mm）时，将这些各值以满足下式（1）的关系的形式进行设定。[式1]：99.4D×（1－3D）×（L＋2.7）≤R≤min｛237.1D×（1‑3D）×（0.8L+1），2B/3｝…（1）。根据本发明的柴油发动机，可以同时实现低负荷域中的冷却损失的减少和中·高负荷域中的黑烟的减少这两者。

Description

柴油发动机

技术领域

本发明涉及具备在汽缸内往复运动的活塞、从与活塞的冠面相向的一侧覆盖汽缸的端面的汽缸盖、和安装于汽缸盖的燃料喷射阀的柴油发动机，尤其涉及在活塞冠面上形成所谓凹型腔的柴油发动机。

背景技术

在柴油发动机、尤其是使用于乘用车等的比较小型的柴油发动机中，在活塞的冠面上大多形成有凹型的腔、即中央部隆起且开口部向上方缩小地变窄的腔（例如参照下述专利文献1）。

根据凹型的腔设置于活塞的如专利文献1的柴油发动机，例如在发动机的中负荷域或高负荷域上从燃料喷射阀喷射比较大量的燃料时，引起到达腔的周缘部的燃料喷雾沿着腔的壁面反转（向中心侧转换方向）的那样的流动，借助于此促进燃料与空气的混合，因此期望黑烟（soot）的产生量减少。

专利文献1：日本特开2010-121483号公报。

发明内容

为了进一步提高如上所述的中·高负荷域中的混合的促进效果，有效的是增强从燃料喷射阀喷射的燃料的穿透性（穿透力）。当喷雾的穿透性增强时，即使在离燃料喷射阀足够远的位置上也能够确保喷雾的速度达到高速，因此可以使喷雾在燃烧室内遍及更广的范围。另外，作为影响喷雾的穿透性的要素之一，具有燃料喷射阀的喷孔的轴方向长度（喷孔长度）。如果该喷孔长度较长，则即便喷射量相同，喷雾的穿透性也较强。因此，如上所述在试图增强穿透性时，例如使用喷孔长度较长的燃料喷射阀即可。

然而，在只考虑中·高负荷域中的混合促进而过度增强喷雾的穿透性时，低负荷域中的冷却损失增大，存在对发动机的燃料消耗性能带来坏影响的担忧。即，在燃料喷射量较少的低负荷域中，本来就几乎不引起喷雾沿着腔的壁面向中心侧反转的那样的流动。因此，即使喷雾中的燃料燃烧，火焰（燃烧气体）也几乎不从腔的周缘部的周围移动，而燃烧热的一部分被腔的壁面吸收。此时，在不必要地增强喷雾的穿透性时，火焰在腔的壁面的较广范围内扩散，从而被腔的壁面夺走的燃烧热增大，其结果是存在冷却损失增大的担忧。

本发明是鉴于如上述的情况而形成，其目的是提供能够同时实现在低负荷域中的冷却损失的减少和中·高负荷域中的黑烟的减少的两者的柴油发动机。

作为解决上述问题的本发明是具备在汽缸内往复运动的活塞、从与活塞的冠面相向的一侧覆盖汽缸的端面的汽缸盖、和安装于汽缸盖的燃料喷射阀的柴油发动机；上述燃料喷射阀具有内部被导入燃料的阀体，在作为该阀体的活塞侧端部的梢端部上穿设有用于向活塞喷射阀体内部的燃料的多个喷孔；在上述活塞的冠面上，以能够至少在活塞位于上死点时接收从上述燃料喷射阀喷射的燃料的形式形成有向与汽缸盖相反的一侧凹入且在俯视时圆形的腔；形成上述腔的壁面具有以越靠近腔的中心侧而离上述燃料喷射阀越近的形式隆起的中央隆起部、形成于与中央隆起部相比靠近活塞的径向外侧的位置且在剖视时向径向外侧凹入的周边凹部、和形成于周边凹部和活塞的冠面之间且在剖视时向活塞的径向内侧凸出的唇部；在从通过上述燃料喷射阀的梢端部的中心的中心轴至上述唇部中的向径向内侧最突出的部分的连接距离设为唇部半径R（mm）、上述喷孔的轴方向长度设为喷孔长度L（mm）、上述喷孔的直径设为喷孔径D（mm）、上述汽缸的半径设为缸孔半径B（mm）时，将这些各值以满足下式（1）的关系的形式进行设定。

[式1]

99.4D×（1－3D）×（L＋2.7）≤R≤min｛237.1D×（1－3D）×（0.8L＋1），2B/3｝…（1）。

另外，在该式（1）中，min｛237.1D×（1－3D）×（0.8L＋1），2B/3｝表示为“237.1D×（1－3D）×（0.8L＋1）”以及“2B/3”中较小的一方。

根据本发明，腔的唇部半径R设定为根据使用喷孔长度L以及喷孔径D的式“99.4D×（1－3D）×（L＋2.7）”规定的值以上，因此在发动机的低负荷域中从燃料喷射阀喷射少量的燃料时，可以将喷雾到达腔的壁面时的速度抑制为足够小。借助于此，在喷雾中的燃料与空气反应而燃烧时，可以减小因该燃烧而产生的火焰（燃烧气体）与腔的壁面接触的面积，可以有效地减少燃烧热被腔的壁面吸收而产生的损失、即冷却损失。

又，腔的唇部半径R设定为根据使用喷孔长度L、喷孔径D、缸孔半径B的式“min｛237.1D×（1－3D）×（0.8L＋1），2B/3｝”规定的值以下，因此在发动机的中·高负荷域中从燃料喷射阀喷射大量的燃料时，可以将喷雾到达腔的壁面时的速度维持在足够大的值，从而可以增强使喷雾沿着腔的壁面反转的流动（纵向涡）。借助于此，喷雾保持高速的同时向腔的中心侧流动，在此过程中促进燃料的混合，因此可以使燃料在空气丰富的环境下进行燃烧，可以有效地减少黑烟的产生量。

在本发明中，优选的是上述喷孔径D设定为0.1±0.015mm，且上述喷孔长度L设定为0.7mm以下。

这样的喷孔径D以及喷孔长度L的条件对于排气量比较小（因此缸孔径较小）的小型的柴油发动机较适合。

此外，当考虑在燃料喷射阀上加工喷孔时的加工性和阀体的强度等时，优选的是上述喷孔长度L设定为0.5mm以上。

如以上所述，根据本发明的柴油发动机，可以同时实现低负荷域中的冷却损失的减少和中·高负荷域中的黑烟的减少这两者。

附图说明

图1是示出根据本发明的一种实施形态的柴油发动机的整体结构的图；

图2是放大示出发动机主体的一部分的剖视图；

图3是示出发动机的控制系统的框图；

图4是示出燃料喷射阀的结构的图，其中图4（a）是剖视图，图4（b）是侧视图；

图5是示出根据发动机的运行状态不同地进行设定的燃料喷射形态的一个示例的图；

图6是活塞的局部放大剖视图；

图7是活塞的俯视图；

图8是用于说明在发动机的低负荷域中喷射燃料的情况下得到的喷雾以及燃烧气体的动作的示意图，其中图8（a）示出将到达壁面时的喷雾梢端速度设定为20m/s以下的情况，图8（b）示出将上述速度设定为超过20m/s的情况；

图9是用于说明在发动机的中负荷域中喷射燃料的情况下得到的喷雾以及燃烧气体的动作的示意图，其中图9（a）示出将到达壁面时的喷雾梢端速度设定为50m/s以上的情况，图9（b）示出将上述速度设定为小于50m/s的情况；

图10是为了通过与喷孔长度之间的关系确定在发动机的低负荷域中使到达壁面时的喷雾梢端速度达到20m/s以下的唇部半径的条件而使用的图表，其中图10（a）示出喷雾梢端到达距离与喷雾梢端速度之间的关系，图10（b）示出喷孔长度与唇部半径之间的关系；

图11是为了通过与喷孔长度之间的关系确定在发动机的中负荷域中使到达壁面时的喷雾梢端速度达到50m/s以上的唇部半径的条件而使用的图表，其中图11（a）示出喷雾梢端到达距离与喷雾梢端速度之间的关系，图11（b）示出喷孔长度与唇部半径之间的关系；

图12是在喷孔径为0.1mm、缸孔半径为38mm时，求出能够同时实现冷却损失的减少与黑烟的减少的两者的喷孔长度L以及唇部半径R的条件的图表；

图13是用于说明上述实施形态的变形例的图；

符号说明：

1 发动机主体；

2 汽缸；

4 活塞；

5 汽缸盖；

10 腔；

11 中央隆起部；

12 周边凹部；

13 唇部；

20 燃料喷射阀；

21 阀体；

21a 梢端部；

22 喷孔。

具体实施方式

（I）发动机的整体结构

图1示出根据本发明的一种实施形态的柴油发动机的整体结构的图。该图示出的柴油发动机是搭载于车辆以作为行驶用动力源的四冲程柴油发动机。具体而言，该柴油发动机具备：接收以轻油作为主成分的燃料的供给而被驱动的发动机主体1；用于向发动机主体1导入燃烧用空气的进气通路30；用于排出在发动机主体1中生成的排气（燃烧气体）的排气通路40；用于使通过排气通路40的排气的一部分回流至进气通路30的EGR装置50；和借助于通过排气通路40的排气进行驱动的涡轮增压器60。

图2是放大示出发动机主体1的一部分的剖视图。如该图2以及前面的图1所示，发动机主体1具有：内部形成有在上下方向上延伸的汽缸2的汽缸体3；在汽缸2内可往复运动（上下运动）地被容纳的活塞4；以从与活塞4的冠面4a相向的一侧覆盖汽缸2的端面（上表面）的形式设置的汽缸盖5；和为了贮留润滑油而配设在汽缸体3的下侧的油底壳6。

活塞4借助于连杆8与作为发动机主体1的输出轴的曲轴7连接。又，在活塞4的上方形成有燃烧室9，在该燃烧室9中，从后述的燃料喷射阀20喷射的燃料与空气混合且进行扩散燃烧。而且，借助于随着该燃烧而产生的膨胀能量使活塞4进行往复运动且使曲轴7绕着中心轴旋转。

在这里，发动机主体1的几何压缩比、即、活塞4位于下死点时的燃烧室容积与活塞4位于上死点时的燃烧室容积的比值设定为12以上15以下（例如14）。该12以上15以下的几何压缩比是作为柴油发动机来说相当低的值。其目的是通过燃烧温度的抑制来改善排放性能和改善热效率等。

在汽缸盖5中设置有：用于向燃烧室9内导入从进气通路30供给的空气的进气道16；用于使在燃烧室9中生成的排气导出至排气通路40的排气道17；将进气道16的燃烧室9侧的开口进行开闭的进气门18；和将排气道17的燃烧室9侧的开口进行开闭的排气门19。

在活塞4的冠面4a上形成有使包含其中心部的区域向与汽缸盖5相反的一侧（下方）凹入的腔10。该腔10形成为具有占据活塞4上升至上死点时的燃烧室9的大部分的容积的结构。

在汽缸盖5中安装有向燃烧室9喷射燃料的燃料喷射阀20。将该燃料喷射阀20以其活塞4侧的端部（后述的梢端部21a）面向腔10的中心部的姿势进行安装。

EGR装置50具有将排气通路40与进气通路30进行相互连接的EGR通路51、和设置于EGR通路51的EGR冷却器52以及EGR阀53。EGR阀53是为了调节通过EGR通路51从排气通路40回流至进气通路30的排气、即、EGR气体的流量而进行开闭的阀，EGR冷却器52是用于冷却EGR气体的热交换器。EGR阀53例如在发动机的负荷较低的条件下较大地开阀，从而将足够的量的EGR气体导入至发动机主体1。借助于此，抑制燃烧温度而改善排放性能。

涡轮增压器60具有配设于进气通路30的压缩机61；在同一轴上与压缩机61连接，且配设在排气通路40的涡轮62；为了绕过涡轮而设置于排气通路40的旁通通路64；和可开闭地设置于旁通通路64的排气旁通阀（waste-gate valve）65。涡轮62接收排气通路40中流动的排气的能量而旋转，压缩机61与涡轮62联动地旋转，以此将在进气通路30中流通的空气进行压缩（增压）。排气旁通阀65在由涡轮增压器60实现的增压压力超过上限值时开阀，从而防止增压压力的过度上升。

在进气通路30中的与压缩机61相比靠近下游侧（吸入空气的流动方向下游侧）的位置上设置有：用于冷却通过压缩机61进行压缩的空气的中间冷却器35；和可开闭的节气门36。另外，节气门36在发动机运行时维持基本上全开或者接近全开的高开度，并且仅在发动机停止时等的必要时闭阀而切断进气通路30。

在排气通路40中的与涡轮62相比靠近下游侧（排气的流动方向下游侧）的位置上设置有用于净化排气中的有害成分的排气净化装置41。该排气净化装置41包括：使排气中的CO以及HC（hydrocarbon；碳氢化合物）氧化的氧化催化器41a；和捕集排气中的黑烟的DPF（Diesel Particulate Filter；柴油微粒过滤器）41b。

（II）控制系统

图3是示出发动机的控制系统的框图。如该图所示，本实施形态的柴油发动机由PCM（powertrain control module；动力控制模块）70综合地进行控制。PCM70如公知那样是由CPU、ROM、RAM等构成的微型处理器。

PCM70与用于检测发动机的运行状态的各种传感器电气连接。即，在发动机以及车辆中设置有包括用于检测通过进气通路30吸入的空气的流量（吸入空气量）的空气流量传感器SN1、用于检测曲轴7的旋转速度（发动机旋转速度）的发动机旋转速度传感器SN2、和用于检测由驾驶车辆的驾驶员操作的加速器踏板（图示省略）的开度的加速器开度传感器SN3在内的各种传感器，并且由这些各种传感器检测出的信息作为电气信号输入至PCM70。

又，PCM70基于来自于上述各种传感器的输入信号执行各种判定或运算等，并且控制发动机的各部分。即，PCM70与燃料喷射阀20、节气门36、EGR阀53、排气旁通阀65等各部分电气地连接，并且基于上述运算的结果等向这些设备分别输出驱动用控制信号。

（III）燃料喷射阀

图4（a）、（b）是示出燃料喷射阀20的结构的剖视图以及侧视图。如该图所示，燃料喷射阀20具有：共轨等的从未图示的蓄压室导入有燃料的燃料流路23形成于内部的筒状的阀体21；和在阀体21的燃料流路23内可进退地进行配设的阀针25。阀体21具有半球状的梢端部21a，与该梢端部21a对应的燃料流路23的终端形成半球状的副室23a。此外，在副室23a的周围的阀体21的内表面上形成有阀针25前进时其梢端部就坐的座部24。

在阀体21的梢端部21a上设置有多个喷孔22。各喷孔22以贯通梢端部21a的形式设置，并且将阀体21的梢端部21a的表面与副室23a连通。另外，在本实施形态中，总共10个的喷孔22设置于梢端部21a，并且各喷孔22以在周方向上大致以等间隔排列的形式配设。使燃料通过这样的喷孔22，以此在俯视时以放射状喷射燃料（参照后述的图7）。

在阀体21上设置有被上述PCM70实施通电控制的未图示的螺线管，通过该螺线管的吸引力使阀针25进退驱动。当阀针25被前进驱动而就坐于座部24时，燃料向副室23a的导入被切断，从而来自于各喷孔22的燃料的喷射被停止。另一方面，当从该状态下阀针25后退驱动时（图4（a）图示该状态），燃料导入至副室23a，从而开始从各喷孔22喷射燃料。PCM70通过控制将阀针43后退驱动的时间，以此调节燃料的喷射量。

如上述结构的燃料喷射阀20与汽缸2安装在同轴上。即，假设将通过阀体21的梢端部21a的中心且在上下方向上延伸的直线作为燃料喷射阀20的中心轴S时，以使该中心轴S与图2所示的汽缸轴线K（汽缸2的中心轴）相一致的姿势安装燃料喷射阀20。

图5是示出根据发动机的运行状态不同地进行设定的燃料喷射形态的一个示例的图。如该图所示，在本实施形态的柴油发动机中，例如在发动机负荷极其低的运行区域A1中，分为三次预喷射Qp1和一次主喷射Qm1地从燃料喷射阀20喷射燃料。在主喷射Qm1中，在压缩上死点（压缩行程结束时的上死点）附近开始燃料喷射，其喷射量设定为1～5mm³左右。在预喷射Qp1中，少于主喷射Qm1的量的燃料在压缩上死点之前被喷射。

另一方面，在与运行区域A1相比负荷高且多用于加速时的中负荷的运行区域A2中，分为两次预喷射Qp2、一次主喷射Qm2、进一步地一次后喷射Qa2地从燃料喷射阀20喷射燃料。在主喷射Qm2中，在压缩上死点附近开始燃料喷射，其喷射量设定为10～30mm³左右。在预喷射Qp2中，少于主喷射Qm2的量的燃料在压缩上死点之前被喷射。在后喷射Qa2中，少于主喷射Qm2的量的燃料在主喷射Qm2结束后（膨胀行程的中途）被喷射。

另外，作为未图示的A1、A2以外的运行区域的燃料喷射的形态（喷射次数、喷射正时、喷射量）可以采用各种模式，但是总的来说主喷射（在压缩上死点附近开始的燃料喷射）的喷射量具有负荷越高而越大的倾向。因此，例如在与运行区域A2相比负荷更高的高负荷侧上，主喷射的喷射量与在运行区域A2中的主喷射的喷射量（10～30mm³）相比进一步增加。

如上述的各运行区域下的燃料喷射形态通过PCM70的控制实现。即，PCM70根据来自于空气流量传感器SN1、发动机旋转速度传感器SN2、加速器开度传感器SN3的信号依次判断发动机的运行状态，对于每个运行状态分别地控制燃料喷射阀20以适应预先设定的目标喷射形态。

（IV）腔的形状

图6以及图7是用于示出腔10的具体形状的活塞4的放大剖视图以及俯视图。另外，在图6中示出上升至上死点时的活塞4，在图6以及图7中，对于从燃料喷射阀20的喷孔22喷射的燃料的喷雾标以符号F并进行示出。如从这些图能够理解，腔10设定为至少在活塞4位于上死点时能够接收从燃料喷射阀20喷射的燃料（喷雾F）的形状以及大小。

如图6以及图7所示，腔10形成为所谓的凹型的腔。即，形成腔10的壁面具有：大致山型的中央隆起部11；形成在与中央隆起部11相比靠近活塞4的径向外侧的位置的俯视时圆形的周边凹部12；和形成于周边凹部12和活塞4的冠面4a之间的俯视时圆形的唇部13。

中央隆起部11形成为越靠近腔10的中心侧而离燃料喷射阀20越近地隆起，并且该隆起的顶部位于燃料喷射阀20的梢端部21a的正下方。周边凹部12形成为与中央隆起部11连续，并且在剖视时形成向活塞4的径向外侧凹入的圆弧状的结构。唇部13形成为与周边凹部12连续，并且在剖视时形成向活塞4的径向内侧凸出的圆弧状的结构。

如上述那样构成的腔10整体上具有越靠近活塞4的冠面4a而开口面积越小的向上变窄形状的截面形状。这样的凹型的腔10尤其在发动机的中负荷以上的运行区域中被喷射比较大量的燃料时，发挥使该燃料的喷雾F主要沿着周边凹部12以及中央隆起部11从径向外侧向内侧（腔10的中心侧）反转的功能（例如参照后述的图9），因此有利于促进燃料的混合。

（V）尺寸条件

如图6所示，从燃料喷射阀20的中心轴S至腔10的唇部13中的向径向内侧最突出的部分的水平（与活塞4的冠面4a平行）连接的距离为唇部半径R（mm）。又，如图4（a）所示，燃料喷射阀20的喷孔22的轴方向长度为喷孔长度L（mm）、喷孔22的直径为喷孔径D（mm）。此外，如图2所示，汽缸2的半径为缸孔半径B（mm）。在本实施形态的柴油发动机中，将这些唇部半径R、喷孔长度L、喷孔径D、缸孔半径B以满足下述的式（1）的关系的形式进行设定。

[式1]

99.4D×（1－3D）×（L＋2.7）≤R≤min｛237.1D×（1-3D）×（0.8L+1），2B/3｝…（1）。

另外，在该式（1）中，min｛237.1D×（1-3D）×（0.8L+1），2B/3｝表示为“237.1D×（1-3D）×（0.8L+1）”以及“2B/3”中较小的一方。

根据本案发明人进行的研究得知，通过以满足上述式（1）的关系的形式设计柴油发动机，以此能够同时实现在发动机的低负荷域中的冷却损失的降低和在中·高负荷域中的黑烟的减少的两者。以下，进行详细说明。

本案发明人设想了在图5所示的运行区域A1、A2进行的主喷射（Qm1、Qm2），并且进行了在活塞4位于压缩上死点时从燃料喷射阀20喷射各种量的燃料的实验等，并且研究了燃料的喷雾通过该喷射如何进行动作。其结果是，得到如下的见解。

在如运行区域A1的低负荷域中，来自于燃料喷射阀20的燃料的喷射量较少，因此在喷射时从喷孔22飞散的燃料的喷雾F在到达腔10的壁面（唇部13）的时刻相当程度地减速。因此，基本上不会引起喷雾F沿着腔10的壁面向径向内侧反转的流动，喷雾F的梢端部几乎不从腔10的壁面的附近移动而与空气反应并燃烧。此时，在火焰（燃烧气体）和腔10的接触面积较大时，燃烧热由该壁面吸收而产生的损失、即冷却损失增大。因此，可以理解的是在发动机的低负荷域中，尽量减小火焰与腔10的壁面接触的面积对于减少冷却损失较为重要。

本案发明人从上述的观点出发进行各种研究，其结果是得出了以下见解：如图8（a）所示，如果在喷雾F的梢端部到达腔10的壁面的时刻的该梢端部的速度为20m/s以下，则通过之后的燃烧所产生的火焰（燃烧气体）G与腔10的壁面接触的面积比较小，从而充分减少冷却损失。相对于此，如图8（b）所示，在喷雾F的梢端部到达腔10的壁面的时刻的该梢端部的速度超过20m/s时，火焰G的与壁面的接触面积增大，冷却损失增大。

此外，本案发明人将燃料的喷射压力（燃料压力）设定为120MPa，并且将燃料的喷射量设定为3mm³，在此基础上进行在燃料喷射阀20的喷孔长度L各不相同的几个条件下喷射燃料的实验以及数值计算，研究了此时的喷雾F的速度并得出如图10（a）的结果。另外，关于该图10（a）的图表，横轴的“喷雾梢端到达距离”是指表示喷雾F的梢端部与燃料喷射阀20的中心轴S在径向上相隔多少的间隔距离，纵轴的“喷雾梢端速度”是指在喷雾F的梢端部到达横轴的各位置时该梢端部所具有的速度。

根据图10（a），无论喷孔长度L长还是短，作为喷雾梢端速度的波形，均得到在与喷孔22稍微相隔开的位置上迎接峰值的相同的波形。即，无论喷孔长度L如何，喷雾梢端速度均以随着离喷孔22越远而逐渐增大并且之后逐渐减小的相同的趋势变化。然而，在相同的喷雾梢端到达距离下进行比较时，喷孔长度L越长喷雾梢端速度的值越高。这是因为如果喷孔径D相同，则喷孔长度L越长而喷雾F的穿透性（穿透力）越强。

又，在图10（a）中，将喷雾梢端速度=20m/s的线（等速度线）以单点划线进行表示。该等速度线与各波形的交点表示在喷雾F的梢端部的速度降低至20m/s时该梢端部到达的地点与中心轴S的间隔距离。在图10（a）中，从被虚线包围的部分能够确定，对于喷雾F的梢端部的速度为20m/s以下时的间隔距离，燃料喷射阀20的喷孔长度L越长而越长，喷孔长度L越短而越短。

图10（b）是示出根据在上述图10（a）中得到的数据的趋势导出的腔10的唇部半径R的条件的图表。该图表示出的多个主体（plot）（黑点）的横轴值相当于与图10（a）的各波形相对应的喷孔长度L，各主体的纵轴值相当于各波形与20m/s的等速度线交叉的点的喷雾梢端到达距离（即喷雾F的梢端部的速度为20m/s以下的间隔距离）。由这些各主体的配置能够确定：实现喷雾梢端速度20m/s的条件沿着向右侧上升的直线P1分布。

根据在喷孔径D为相同的0.1mm这样的条件下得到的数据，确认了表示该直线P1的函数（一次函数）后得知该函数表示为“R=6.96×（L＋2.7）”。此外，根据在喷孔径D为不同于0.1mm的值的情况下得到的几个数据以及理论，确认了使喷孔径D一般化的情况下的直线P1的函数，其结果是得出下述式（2）。

[式2]

R=99.4D×（1－3D）×（L＋2.7）…（2）。

将唇部半径R设定为由上述式（2）表示的直线P1上的值意味着在喷雾F的梢端部到达腔10的壁面（唇部13）的时刻该梢端部的速度为约20m/s。因此，如果将唇部半径R设定为直线P1（式（2））的值以上，则在发动机的低负荷域中，喷雾F到达壁面时的速度被抑制为20m/s以下。即，通过将唇部半径R设定为喷孔长度L越长而唇部半径R越大以使唇部半径R达到直线P1（式（2））的值以上，以此可以制造出有利于低负荷域中的冷却损失的减少的腔10的形状。

另一方面，在如运行区域A2的中负荷域、或者与此相比进一步高负荷侧的区域中，来自于燃料喷射阀20的燃料的喷射量较多，因此在喷射时从喷孔22飞散的燃料的喷雾F即使在到达腔10的壁面（唇部13）的时刻也保持相当高的高速。因此，喷雾F沿着腔10的壁面向径向内侧反转，并且在保持高速的同时向腔10的中心侧流动，在此过程中与空气反应并燃烧。此时，在朝向腔10的中心侧的喷雾F的流动较弱时，喷雾F无法与空气充分混合，因此产生燃料过度变浓的过浓区域，黑烟的产生量增大。因此，能够理解在发动机的中负荷域或高负荷域中，尽量使朝向腔10的中心侧的喷雾的流动变强对于减少黑烟的产生量较为重要。

本案发明人根据上述的观点进行各种研究后得出如下见解：如图9（a）所示，如果喷雾F的梢端部到达腔10的壁面的时刻的该喷雾F的梢端部的速度为50m/s以上，则之后喷雾F沿着腔10的壁面反转的流动（以下将其称为纵向涡T）变得足够强，从而使燃料与空气充分混合并燃烧，其结果是，能够充分减少黑烟的产生量。相对于此，如图9（b）所示，在喷雾F到达腔10的壁面的时刻的该梢端部的速度小于50m/s时，无法形成足够强的纵向涡T，因此局部形成燃料的过浓区域M，黑烟的产生量增大。

此外，本案发明人将燃料的喷射压力（燃料压力）设定为120MPa，且将燃料的喷射量设定为20mm³后，在燃料喷射阀20的喷孔长度L各不相同的几个条件下进行喷射燃料的实验以及数值计算，并且确认此时的喷雾F的速度后得出图11（a）的图表。根据该图表，对于喷雾F的梢端部的速度降低至50m/s的间隔距离（喷雾梢端到达距离），燃料喷射阀20的喷孔长度L越长而越长，喷孔长度L越短而越短。

又，基于在上述图11（a）的图表中得到的数据研究了腔10的唇部半径R的条件，得出图11（b）的图表。根据该图表可知，实现喷雾梢端速度50m/s的条件沿着向右侧上升的直线P2分布。根据在喷孔径D为相同的0.1mm这样的条件下得到的数据，确认了表示该直线P2的函数后得知该函数表示为“R=16.6×（0.8L＋1）”。此外，根据在喷孔径D为不同于0.1mm的值的情况下得到的几个数据以及理论，确认了使喷孔径D一般化的情况下的直线P1的函数，其结果是得出下述式（3）。

[式3]

R=237.1D×（1－3D）×（0.8L＋1）…（3）。

将唇部半径R设定为由上述式（3）表示的直线P2上的值意味着在喷雾F的梢端部到达腔10的壁面（唇部13）的时刻该梢端部的速度达到约50m/s。因此，如果将唇部半径R设定为直线P2（式（3））的值以下，则在发动机的中负荷以上的负荷域中，喷雾F到达壁面时的速度维持50m/s以上的较高值。借助于此，在腔10内形成足够强的纵向涡T，从而能够期待燃料的混合促进以及黑烟的减少。

在这里，根据图11（b），在直线P2（式（3））中示出的唇部半径R的上限值与喷孔长度L成比例地增大。因此，在将喷孔长度L设定为较长的情况下，伴随于此唇部半径R也可以扩大。然而，例如在不考虑汽缸2的缸孔半径B而过度增大唇部半径R时，由于为确保希望的几何压缩比所需的燃烧室9的容积的限制，因此导致无法充分确保腔10的深度。这会导致在发动机的中·高负荷域中，反倒会阻碍在腔室10内形成的纵向涡T的生长（即阻碍燃料的混合）。因此，腔10的唇部半径R优选的是在与缸孔半径B之间的关系上收敛于某些范围内。本案发明人经研究后得出如下见解：将唇部半径R收敛于缸孔半径B的2/3以下对于促进燃料的混合较有效。

在图11（b）中，将唇部半径R设定为缸孔半径B的2/3时的值（R=2B/3）作为直线P3进行图示。即，为了在腔10内形成足够强的纵向涡T以谋求黑烟的减少，而不仅需要考虑上述直线P2，还要考虑该直线P3，并且以包含在这些两条直线P2、P3的下侧区域内的形式设定唇部半径R。另外，如图11（b）所示，如果缸孔半径B变化，则直线P3的位置也伴随于此上下移动。

考虑到如上述得到的见解（图10（b）、图11（b）的各条件），在本实施形态中腔10的唇部半径R设定为满足前已述及的式（1）那样的值。即，使用喷孔长度L、喷孔径D以及缸孔半径B，将唇部半径R设定为“99.4D×（1－3D）×（L＋2.7）”mm以上、且“min｛237.1D×（1－3D）×（0.8L＋1），2B/3｝”mm以下的值。

图12是以燃料喷射阀20的喷孔径D为0.1mm、汽缸2的缸孔半径B为38mm时为例，示出符合上述图10（b）以及图11（b）的条件的喷孔长度L以及唇部半径R的范围的图表。在该图12的图表中，与图10（b）、图11（b）相同地，使在发动机的低负荷域中喷射的燃料喷雾F的速度在到达腔10的壁面时达到20m/s以下的条件表示为直线P1，使在发动机的中·高负荷域中喷射的燃料喷雾F的速度在到达腔10的壁面时达到50m/s以上的条件表示为直线P2，使唇部半径R收敛于缸孔半径B的2/3以下（在这里25.3mm以下）的条件表示为直线P3。由图表可确定，在喷孔长度L以及唇部半径R包含在由直线P1、P2、P3包围的区域X、即、位于直线P2、P3的下侧且位于直线P1的上侧的区域X内时，能够同时满足这些三个要求（低负荷域中的喷雾速度为20m/s以下，中高负荷域中的喷雾速度为50m/s以上，因与缸孔半径之间的关系而受到的唇部半径的限制）。

即，在图12的示例（D=0.1、B=38）中，通过将喷孔长度L和唇部半径R设定为包含在区域X内，以此能够同时实现发动机在低负荷域中的冷却损失的减少和在中·高负荷域中的黑烟的减少这两者。

此外，在图12中，将在比较小型的柴油发动机中认为较优选的喷孔长度L的条件附加后以区域Y示出。该区域Y是在区域X中除去L＜0.5的范围和L＞0.7的范围以外的区域，即，使喷孔长度L限定在0.5≤L≤0.7的范围内的区域。

在图12的示例中，作为前提的38mm的缸孔半径B能够应用于例如总排气量为1.5L的四汽缸发动机（单缸排气量375cc）那样的比较小型的柴油发动机中。然而，在排气量进一步减小时，缸孔半径B可以小于38mm，又，即使排气量相同，根据目标的发动机的特性的不同，也仍然可以小于38mm。在缸孔半径B小于38mm时，根据与缸孔半径B之间的关系确定的唇部半径R的上限、即、直线P3的位置在图表上进一步向下侧移动，区域X向下侧缩小。然而，认为如果喷孔长度L为0.7mm以下，则即使因小排量等的理由而区域X向下侧稍微缩小，也能够使喷孔长度L以及唇部半径R包含在区域X的范围内。

另一方面，喷孔长度L缩短意味着设置有喷孔22的阀体21的梢端部21a的壁厚相应地变薄。因此，如果过度缩短喷孔长度L，则可能在加工喷孔22时的加工性和阀体21的强度等方面存在问题。从这样的观点出发，优选的是喷孔长度L设定为0.5mm以上。

如以上所述，在将喷孔径D设定为0.1mm的情况下，在考虑将燃料喷射阀20应用于比较小型的柴油发动机、且还考虑喷孔22的加工性等时，如图12的区域Y所示，优选的是将喷孔长度L设定为0.5mm以上0.7mm以下。当然，这并不只限于喷孔径D为0.1mm的情况，只要是接近0.1mm的值就可以得出同样的范围。例如在喷孔径D为0.1±0.015mm时，作为喷孔长度L的优选的范围，同样可以采用0.5mm以上0.7mm以下。

在这里，在燃烧室9中产生的黑烟最终被DPF41b捕集，因此黑烟的减少效果达到一定程度的水平就足够。相对于此，关于冷却损失的减少效果，从燃料消耗性能方面考虑，优选的是越高越好。像这样，在试图更加重视燃料消耗性能时，优选的是将唇部半径R等设定为与上述区域X（或者区域Y）中离直线P1尽量远的位置（换而言之尽量靠近直线P2的位置）相对应的值。具体而言，在图12的示例中，优选的是将唇部半径R以及喷孔长度L设定为与在靠近直线P2的区域中唇部半径R足够大的区域Z（直线P2与直线P3的交点附近）相对应的值。

另外，在上述实施形态中，进行从燃料喷射阀以120MPa的燃料压力喷射燃料的实验等，基于此求出上述式（1）的条件，但是对喷雾的穿透性影响较大的是喷射量，因此即使燃料压力稍微不同，所得到的结果并无大差异。因此，上述式（1）的条件不限于燃料压力设定为120MPa的柴油发动机而可以普遍应用。例如，只要是燃料压力设定为50～250MPa左右范围内的任意一个压力的柴油发动机就可以使用与上述式（1）相同的条件决定唇部半径R。

又，在上述实施形态中，如图2等所示，将与腔10相比靠近径向外侧的部分的活塞4的冠面4a（以下将该部分的冠面称为挤流（squish）部）全部由平坦面构成，但是也可以在该挤流部上设置段差。例如，可以考虑如图13所示的活塞4’那样使挤流部80的径向内侧部分81低于径向外侧部分82而在两者之间设置段差部83。本案发明人发现通过设置这样的段差部83，在位于压缩上死点的活塞4’转变为下降时，能够抑制沿着腔10的唇部13从腔10向挤流部80逆流的逆挤流V的形成。这样的逆挤流V的抑制效果尤其在发动机的中·高负荷域中，能够促进腔10内形成的纵向涡T（参照图9（a））的生长。因此，除了使上述式（1）条件得到满足以外，如果采用设置图13所示的段差部83这样的结构，则可以充分促进燃料的混合，并且可以更有效地抑制黑烟的产生。

Claims

1.一种柴油发动机，其特征在于，

是具备在汽缸内往复运动的活塞、从与活塞的冠面相向的一侧覆盖汽缸的端面的汽缸盖、和安装于汽缸盖的燃料喷射阀的柴油发动机；

所述燃料喷射阀具有内部被导入燃料的阀体，在作为该阀体的活塞侧端部的梢端部上穿设有用于向活塞喷射阀体内部的燃料的多个喷孔；

在所述活塞的冠面上，以能够至少在活塞位于上死点时接收从所述燃料喷射阀喷射的燃料的形式形成有向与汽缸盖相反的一侧凹入且在俯视时圆形的腔；

形成所述腔的壁面具有以越靠近腔的中心侧而离所述燃料喷射阀越近的形式隆起的中央隆起部、形成于与中央隆起部相比靠近活塞的径向外侧的位置且在剖视时向径向外侧凹入的周边凹部、和形成于周边凹部和活塞的冠面之间且在剖视时向活塞的径向内侧凸出的唇部；

在压缩上死点附近开始燃料喷射的主喷射的喷射量，在发动机负荷较低的低负荷域中设定为1～5mm³，而在发动机负荷相比低负荷域高的中负荷域中设定为10～30mm³的情况下，

以使所述低负荷域中冷却损失减少且使所述中负荷域中黑烟的产生量减少的形式，在从通过所述燃料喷射阀的梢端部的中心的中心轴至所述唇部中的向径向内侧最突出的部分的连接距离设为唇部半径R（mm）、所述喷孔的轴方向长度设为喷孔长度L（mm）、所述喷孔的直径设为喷孔径D（mm）、所述汽缸的半径设为缸孔半径B（mm）时，将这些各值以满足下式（1）的关系的形式进行设定；

2.根据权利要求1所述的柴油发动机，其特征在于，

所述喷孔径D设定为0.1±0.015mm，且所述喷孔长度L设定为0.7mm以下。

3.根据权利要求2所述的柴油发动机，其特征在于，

所述喷孔长度L设定为0.5mm以上。