JP2006022773A - 直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状 - Google Patents

Abstract

【課題】 直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状において、無負荷運転時の黒煙濃度を抑制しつつ、負荷運転時のＮＯx及び燃費を低減させることを目的としている。
【解決手段】 ピストン頂壁３に凹状の燃焼室５を形成し、ほぼシリンダ中心線Ｃ１上に噴口中心Ｏ１を有する燃料噴射弁の噴口２０から所定の噴口角度αで前記燃焼室５に燃料を噴射する直噴式ディーゼル機関の燃焼室の形状である。かかる燃焼室形状において、燃焼室５の壁面は、燃焼室中央部に形成されると共に燃料噴霧が衝突しない斜面角度及び裾端直径Ｄ２を有する山部１２と、該山部１２の裾端から山部１２の斜面角度より小さい角度θで外下がりに傾斜すると共に前記燃料噴霧が衝突する傾斜面部１４と、該傾斜面部１４の外周端から円弧状に立ち上がって燃焼室外周端に至ると共に前記燃料噴霧が衝突する受け皿部１５から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状に関する。

図８は直噴式ディーゼル機関における従来の燃焼室形状の一例（特許文献１）を示しており、ピストン１０１の頂壁１０２に浅皿凹状の燃焼室（キャビティ）１０６を形成してあり、燃焼室１０６の壁面には、燃焼室１０６の中央から燃焼室外周端部近くまでなだらかに広がる山部１０４が形成されると共に、該山部１０４の裾端に滑らかにつながって円弧状に立ち上がる受け皿部１０５が形成されている。燃料噴射弁１０３は、噴口中心Ｏ1がシリンダ中心線Ｃ１上に位置するようにシリンダヘッド１１０に取り付けられており、所定の噴口角度αで燃焼室１０６の受け皿部１０５に向けて円錐状に燃料を噴射するようになっている。

図８の構造では、燃料噴霧の半分程度が山部１０４の斜面に直接衝突するようになっており、それにより燃焼を抑制し、ＮＯxの発生量を抑制するようにしているが、無負荷運転時には、噴射圧力が小さくなることにより、山部１０４の斜面に付着する燃料の割合が増大し、それにより、黒煙が増加するという課題が生じている。
特開平５−１０６４４２号公報

図８のような構造において、無負荷運転時の黒煙の発生を抑えるための対策としては、燃料噴射弁１０３の噴口面積を縮小し、噴射圧力を上げることが有効であり、これにより、無負荷運転時の燃料の微粒化を促進し、黒煙の発生を抑制することができる。

ところが、燃料噴射弁の噴口面積を小さくすると、負荷運転時における燃料噴射期間が長くなり、そのために燃費が悪化するという問題が生じる。

黒煙の発生を抑制するための別の対策としては、図８の噴口角度αを大きく取り、噴霧到達距離を長くし、燃料噴霧の大部分が燃焼室１０６の外周端部近傍に向くようにすることも有効であり、これにより、黒煙の発生を抑制できるが、燃焼室壁面での燃焼制御が行われないため、負荷運転時のＮＯxの発生量が増加するという問題が生じる。また、火炎がシリンダライナ１１２に衝突し易くなり、加熱されるため、シリンダライナ１１２の信頼性及び耐久性に問題が生じる。

（発明の目的）
本発明の目的は、無負荷運転時において、黒煙の発生量を抑制すると同時に、負荷運転時のＮＯx及び燃費も良好に維持できるディーゼル機関の燃焼室形状を提供することである。

前記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明は、ピストン頂壁に凹状の燃焼室を形成し、ほぼシリンダ中心線上に噴口中心を有する噴口から所定の噴口角度で前記燃焼室に燃料を噴射する直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状において、燃焼室の壁面は、燃焼室中央部に形成されると共に燃料噴霧が衝突しない斜面角度及び裾端直径を有する山部と、該山部の裾端から山部の斜面角度より小さい角度で外下がりに傾斜すると共に前記燃料噴霧が衝突する傾斜面部と、該傾斜面部の外周端から円弧状に立ち上がって燃焼室外周端に至ると共に燃料噴霧が衝突する受け皿部から構成されている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状において、前記山部は、燃焼室深さＨ１に対する燃焼室底面からの山部高さＨ２の比Ｈ２/Ｈ１が、０．７≦Ｈ２/Ｈ１≦１．０であり、ボア径Ｂに対する山部頂面の直径Ｄ１の比Ｄ１/Ｂが、Ｄ１/Ｂ≦０．３であり、ボア径Ｂに対する山部の裾端の直径Ｄ２の比Ｄ２/Ｂが、Ｄ２/Ｂ≦０．５である。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状において、噴口直径ｄに対する噴霧到達距離Ｌの比Ｌ/ｄが、１５０≦Ｌ/ｄ≦２５０である。

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状において、前記傾斜面部の斜面角度θは、０°＜θ≦１５°である。

（１）燃焼室壁面には、中央の山部と外周端部の円弧状の受け皿部の間に、外下がりの傾斜面部を形成し、燃料噴霧を、前記山部の斜面に衝突させず、傾斜面部から受け皿部に亘って当接させるように構成しているので、無負荷運転時において、山部の斜面に燃料噴霧が付着しにくくなることにより、黒煙の発生を抑制できる。また、傾斜面部及び受け皿部に亘って燃料噴霧を衝突させ、拡散させることにより、負荷運転時のＮＯxの発生量も抑制することができ、しかも噴射圧を高くするために噴口面積を小さくする必要がないため、負荷運転時における燃費も低減できる。

（２）圧縮比を一定とし、燃焼室深さＨ１に対する山部高さＨ２の比を、０．７≦Ｈ２/Ｈ１≦１．０とし、ボア径Ｂに対する山部頂面の直径Ｄ１の比を、Ｄ１/Ｂ≦０．３とし、ボア径Ｂに対する山部の裾端の直径Ｄ２の比を、Ｄ２/Ｂ≦０．５としていることにより、前記無負荷運転時の黒煙抑制効果を向上させることができる。

（３）噴口直径ｄに対する噴霧到達距離Ｌの比を、１５０≦Ｌ/ｄ≦２５０とすることにより、傾斜面部及び受け皿部で燃焼を抑制しつつ、トップクリアランス部Ｔの空気を有効に利用できるため、負荷運転時のＮＯxを抑制しつつ、燃費を低減させることができる。

（４）傾斜面部の斜面角度θを０°＜θ≦１５°とすることで、傾斜面部から受け皿部及びトップクリアランス部へ滑らかに燃料噴霧を導くことができ、負荷運転時のＮＯxを抑制しつつ、燃費を低減させることができる。

［発明の実施の形態］
（燃焼室の構成）
図１は本発明を適用した直噴式ディーゼル機関の燃焼室の拡大縦断面図であり、この図１において、シリンダブロックのシリンダライナ１内にピストン２が嵌合しており、ピストン２の頂壁３に燃焼室（キャビティ）５を形成してあり、燃焼室５の上方は、シリンダヘッド７の下面により閉塞されている。シリンダヘッド７には、シリンダ中心線Ｃ１上に噴口中心Ｏ１が位置する燃料噴射弁１０が取り付けられており、噴口角度αで燃料を円錐状に噴射（噴霧）するようになっている。なお、図１のピストン２は上死点位置の状態で示してある。

燃焼室５は浅皿形に形成されており、中央部（シリンダ中心線Ｃ1上）には裁頭円錐形の山部１２が形成され、外周部には円弧状に緩やかに外方に立ち上がる受け皿部１５が環状に形成されている。受け皿部１５と中央の山部１２との間には、シリンダ中心線Ｃ１と直交する平面Ｑに対して外下がりに所定角度θで傾斜する傾斜面部１４が環状に形成されている。該傾斜面部１４の内周端と山部１２の裾端部とは、境目Ｐ1において曲面により滑らかにつながり、また、傾斜面部１４の外周端と受け皿部１５の内周端は、境目Ｐ2において、曲面により滑らかにつながっている。

山部１２は、圧縮比を一定とし、燃焼室深さＨ１に対する燃焼室底面からの山部高さＨ２の比Ｈ２/Ｈ１が、０．７≦Ｈ２/Ｈ１≦１．０の範囲で形成され、ボア径Ｂに対する山部頂面１３の直径Ｄ１の比Ｄ１/Ｂが、Ｄ１/Ｂ≦０．３の範囲で形成され、ボア径Ｂに対する山部１２の裾端（Ｐ1)の直径Ｄ２の比Ｄ２/Ｂが、Ｄ２/Ｂ≦０．５の範囲で形成されており、少なくとも、山部１２の斜面は燃料噴霧の最小噴霧角度範囲ｓ１よりも一定距離離れ、燃料噴霧が山部１２の斜面に衝突することが無いように設定されている。

傾斜面部１４の傾斜角度θは、中央の山部１０の斜面よりも遙かに小さい角度であり、また、傾斜面部１４の形成範囲は、全噴霧角の内側半分程度が衝突しうる範囲に設定されている。

受け皿部１５は、緩やかに立ち上がっており、傾斜面部１４との境目Ｐ2近傍の部分に燃料噴霧の中心線Ｓ0が衝突するような範囲に形成されている。

噴口中心Ｏ1から受け皿部１５に至るまでの燃料噴霧中心線Ｓ0の長さ、いわゆる噴霧到達距離Ｌは、図２に示す噴口直径ｄとの関係において、Ｌ/ｄが１５０〜２５０の範囲になるように設定され、好ましくは１６０〜２１０程度になるように設定される。

［数値限定の根拠］
図３は、圧縮比を一定とし、燃焼室深さＨ１に対する山部高さＨ２の比Ｈ２/Ｈ１の変化と、無負荷運転時の黒煙（黒煙濃度）の関係を示す図である。図３から理解できるように、上記比Ｈ２/Ｈ１が０．８５〜１．００の範囲では、黒煙の発生量が最低値に抑制された状態で変化せず、上記比Ｈ２/Ｈ１が０．８５から０．７へ小さくなる範囲では、黒煙の発生量は穏やかに増加するが、上記比Ｈ２/Ｈ１が０．７よりも小さくなると、黒煙の発生量は急激に増加する。したがって、上記比Ｈ２/Ｈ１の範囲を、０．７≦Ｈ２/Ｈ１≦１．０とすることにより、黒煙の発生量を許容可能な範囲に抑制でき、好ましくは、０．８５≦Ｈ２/Ｈ１≦１．０の範囲にすることにより、黒煙の発生量を効果的に抑制することができるのである。

図４は、ボア径Ｂに対する山部頂面１３の直径Ｄ１の比Ｄ１/Ｂの変化と、無負運転荷時の黒煙（黒煙濃度）との関係を示す図である。図４から理解できるように、上記比Ｄ１/Ｂが０．３以下の範囲では、無負荷運転時の黒煙は良好な状態に保たれ、特に、上記比Ｄ１/Ｂが０．１５以下の範囲では、黒煙が最低値の状態に保たれている。一方、上記比、Ｄ１/Ｂが０．３よりも大きくなると黒煙は急激に増加する。したがって、上記比Ｄ１/Ｂの範囲を、Ｄ１/Ｂ≦０．３とすることにより、黒煙の発生量を許容可能な範囲に抑制でき、好ましくは、Ｄ１/Ｂ≦０．１５の範囲にすることにより、黒煙の発生量を効果的に抑制することができるのである。

図５は、ボア径Ｂに対する山部１２の裾端Ｐ1の直径Ｄ２の比、Ｄ２/Ｂの変化と、無負荷運転時の黒煙（黒煙濃度）との関係を示す図である。図５から理解できるように、上記比Ｄ２/Ｂが０．５以下の範囲では、無負荷運転時の黒煙は良好な状態に保たれ、特に、比Ｄ２/Ｂが０．３以下の範囲では、黒煙が最低値の状態に保たれている。一方、上記比Ｄ２/Ｂが０．５よりも大きくなると黒煙は急激に増加する。したがって、上記比Ｄ２/Ｂの範囲を、Ｄ２/Ｂ≦０．５とすることにより、黒煙の発生量を許容可能な範囲に抑制でき、好ましくは、Ｄ２/Ｂ≦０．３の範囲にすることにより、黒煙の発生量を効果的に抑制することができるのである。

図６は、傾斜面部１４の傾斜角度θの変化と、負荷運転時の燃費との関係を示すグラフである。図６から理解できるように、上記傾斜角度θが、０°より大きくて１５°以内の範囲では、燃費が良好に保たれ、特に、傾斜角度θが３〜１０°の範囲では、燃費が最も良い状態となっている。一方、傾斜角度θが１５°を越えると急激に燃費が悪化する。

図７は、無負荷運転時の黒煙と負荷運転時の燃費との関係の概略を示しており、図８の従来例の場合を◆で示し、本実施の形態の場合を●で示している。同一のＮＯxレベルとした場合、従来例で燃費を良好にしようとすれば、無負荷運転時の黒煙（黒煙濃度）が増加するが、本実施の形態では、無負荷運転時の黒煙濃度を少ない値でほぼ一定に保ちつつ、燃費を良好にすることができる。

すなわち、本実施の形態では、０．７≦Ｈ２/Ｈ１≦１．０とし、Ｄ１/Ｂ≦０．３とし、Ｄ２/Ｂ≦０．５としていることにより、燃料噴霧が燃焼室５の山部１２の斜面に衝突することは無くなり、山部１２の斜面に燃料がほとんど付着せず、それにより無負荷運転時の黒煙の発生量を抑制できるため、燃料噴射弁１０の噴口２０を大きくでき、燃費を低減することができる。また、噴口直径ｄに対する噴霧到達距離Ｌの比Ｌ/ｄを１５０≦Ｌ/ｄ≦２５０とし、燃料噴霧が傾斜面部１４から受け皿部１５に亘って到達するように構成していることにより、燃焼室５の内面での燃焼を抑制しつつ、トップクリアランス部Ｔの空気利用率が上がり、ＮＯxを抑制しつつ燃費を低減できる。さらに、前記傾斜面部１４の斜面角度θを０°＜θ≦１５°としていることにより、傾斜面部１４に衝突する燃料を、スムーズに受け皿部１５からトップクリアランス部Ｔ（図１）へ拡散させることができ、これによっても、ＮＯxを抑制しつつ、黒煙を抑制し、また、燃費を低減できる。

本発明を適用した直噴式ディーゼル機関の燃焼室の縦断面拡大図である。 図１の燃料噴射弁の噴口部分の縦断面拡大図である。 燃焼室深さＨ１に対する燃焼室底面からの山部高さＨ２の比Ｈ２/Ｈ１の変化と、無負荷運転時の黒煙（黒煙濃度）との関係を示す図である。 ボア径Ｂに対する山部頂面の直径Ｄ１の比Ｄ１/Ｂの変化と、無負荷運転時の黒煙（黒煙濃度）との関係を示す図である。 ボア径Ｂに対する山部の裾端の直径Ｄ２の比Ｄ２/Ｂの変化と、無負荷運転時の黒煙（黒煙濃度）との関係を示す図である。 傾斜面部の傾斜角度θの変化と、負荷運転時の燃費との関係を示すグラフである。 無負荷運転時の黒煙と負荷運転時の燃費との関係を示す図である。 従来例の燃焼室を示す縦断面拡大図である。

符号の説明

１ シリンダライナ
２ ピストン
３ ピストン頂壁
５ 燃焼室
７ シリンダヘッド
１０ 燃料噴射弁
１２ 山部
１３ 山部の頂面
１４ 傾斜面部
１５ 受け皿部
２０ 噴口

Claims (4)

1. ピストン頂壁に凹状の燃焼室を形成し、ほぼシリンダ中心線上に噴口中心を有する燃料噴射弁の噴口から所定の噴口角度で前記燃焼室に燃料を噴射する直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状において、
   燃焼室の壁面は、燃焼室中央部に形成されると共に燃料噴霧が衝突しない斜面角度及び裾端直径を有する円錐状の山部と、該山部の裾端から山部の斜面角度より小さい角度で外下がりに傾斜すると共に前記燃料噴霧が衝突する傾斜面部と、該傾斜面部の外周端から円弧状に立ち上がって燃焼室外周端に至ると共に前記燃料噴霧が衝突する受け皿部から構成されている直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状。
2. 前記山部は、燃焼室深さＨ１に対する燃焼室底面からの山部高さＨ２の比Ｈ２/Ｈ１が、０．７≦Ｈ２/Ｈ１≦１．０であり、ボア径Ｂに対する山部頂面の直径Ｄ１の比Ｄ１/Ｂが、Ｄ１/Ｂ≦０．３であり、ボア径Ｂに対する山部の裾端の直径Ｄ２の比Ｄ２/Ｂが、Ｄ２/Ｂ≦０．５であることを特徴とする請求項１記載の直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状。
3. 噴口直径ｄに対する噴霧到達距離Ｌの比Ｌ/ｄが、１５０≦Ｌ/ｄ≦２５０であることを特徴とする請求項１又は２記載の直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状。
4. 前記傾斜面部の斜面角度θは、０°＜θ≦１５°であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直噴式ディーゼル機関の燃焼室形状。
   

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