JP2006328998A - Premixed compression self-ignition type internal combustion engine - Google Patents

Premixed compression self-ignition type internal combustion engine Download PDF

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Takeshi Asai
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain the generation of NOx and smoke, by forming a uniform lean mixture, by promoting the diffusion of fuel and mixing with air, in a premixed compression self-ignition type internal combustion engine. <P>SOLUTION: A recessed head cavity 29 is formed on an explosive surface 28 of a cylinder head 12 opposed to a top surface of a piston 11, and an injection nozzle 13 having a plurality of fuel injection ports 44 for injecting the fuel toward a peripheral wall surface 31 of the head cavity 29, is arranged in a bottom part of the head cavity 29. A recessed piston cavity 20 is formed on the top surface of the piston 11, and a bottom surface 30 of the head cavity 29 is formed as a flat surface in substantially parallel to the explosive surface 28 of the cylinder head 12. The peripheral wall surface 31 is inclined in an expansively opening shape toward the piston 11 side. An opening diameter ϕX of the head cavity 29 and an opening diameter ϕY of the piston cavity 20, are set in the relationship of ϕY ≥ 1.2 × ϕX. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は予混合圧縮自着火式内燃機関に関するものである。   The present invention relates to a premixed compression self-ignition internal combustion engine.

ディーゼルエンジン等の内燃機関の分野では、近年、環境問題の高まりに伴って年々厳しい排気規制が施行されており、煤やスモーク、CO、NOx等の大気汚染物質の排出を低減し、また、燃費を向上することが強く要請されている。   In recent years, in the field of internal combustion engines such as diesel engines, stricter exhaust regulations have been enforced year by year due to the growing environmental problems, reducing emissions of soot, smoke, CO, NOx and other air pollutants, and fuel consumption There is a strong demand for improvement.

しかしながら、ディーゼルエンジンは、シリンダ内で圧縮された空気に燃料を噴霧し、自着火により燃焼させるため、空気と燃料との混合に濃淡が生じ易く、燃料濃度が濃いところでは煤やスモークを、量論比付近ではNOxを生成し易くなっている。   However, since diesel engines spray fuel on compressed air in a cylinder and burn it by self-ignition, light and dark mixing tends to occur in the mixture of air and fuel, and soot and smoke can be produced where the fuel concentration is high. It is easy to generate NOx near the theoretical ratio.

このような事情に鑑み、近年、予混合圧縮自着火方式が注目されている。この予混合圧縮自着火方式は、ピストンが上死点に至る前の圧縮行程初期から中期に燃料を噴射することで、燃焼室内で燃料と空気とを予め均一に混合し、この混合気をピストンによる圧縮により昇温、昇圧させ、燃料の発火点において自着火させる技術である。この方式によれば、高い空気過剰率によってスモークの発生を抑制可能であり、また、火炎温度を均一化できることからNOxの発生も抑制することが可能である。また、予混合圧縮自着火方式に、通常の噴霧燃焼方式を組み合わせ、複数段の噴射を行わせる技術も知られている。   In view of such circumstances, in recent years, a premixed compression self-ignition system has attracted attention. This premixed compression auto-ignition method injects fuel from the beginning to the middle of the compression stroke before the piston reaches top dead center, so that the fuel and air are uniformly mixed in advance in the combustion chamber. This is a technology that raises the temperature and raises the pressure by compression by the self-ignition at the ignition point of the fuel. According to this method, the generation of smoke can be suppressed by a high excess air ratio, and the generation of NOx can be suppressed because the flame temperature can be made uniform. Also known is a technique in which a normal spray combustion system is combined with a premixed compression self-ignition system to perform a plurality of stages of injection.

ところが、予混合圧縮自着火方式では、ピストンが上死点に至る前の低い位置にあるときに燃料が噴射されるため、該燃料が直接シリンダライナーに衝突してしまう恐れがある。ピストンが上昇する過程では、シリンダ内の温度と圧力はそれほど上昇していないため、シリンダライナーに衝突した燃料は蒸発することなくそのまま付着する可能性が高い。付着した燃料はピストンにより掻き落とされてオイルを希釈させたり、そのまま燃焼に寄与することなく白煙となって排出される恐れがあり、また、当然に燃費を悪化させる原因にもなる。   However, in the premixed compression self-ignition system, fuel is injected when the piston is at a low position before reaching the top dead center, so that the fuel may directly collide with the cylinder liner. In the process of raising the piston, the temperature and pressure in the cylinder do not rise so much, so the fuel that has collided with the cylinder liner is likely to adhere as it is without evaporating. The adhering fuel may be scraped off by the piston to dilute the oil, or may be discharged as white smoke without contributing to the combustion as it is, and naturally also causes a deterioration in fuel consumption.

一方、下記特許文献1には、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のドーム(ヘッドキャビティ)を形成し、ドームの底部に、ドームの周壁面に向かって開口する燃料噴射口を有する噴射ノズルを備えたディーゼルエンジンが開示されている。   On the other hand, in Patent Document 1 below, a fuel injection port is formed in which a concave dome (head cavity) is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston and opens toward the peripheral wall surface of the dome at the bottom of the dome. A diesel engine with an injection nozzle having the following is disclosed.

この技術を用いて、予混合圧縮自着火を行った場合、燃料はシリンダライナーに到達する前にドームの周壁面に衝突して方向が変えられるとともに微粒化されるため、シリンダライナーへの燃料の付着を防止することが可能になる。   When premixed compression auto-ignition is performed using this technique, the fuel collides with the peripheral wall of the dome before reaching the cylinder liner, and the direction is changed and atomized. It becomes possible to prevent adhesion.

特開平10−141062号公報JP 10-141622 A

上記特許文献1では、シリンダヘッドのドームが半球状に形成されており、このドームの周壁面に衝突した燃料は、大部分が下方に拡散するが、一部は上方に拡散する。しかし、燃料の衝突部分よりも上側には空間が少ないため、燃料過濃の混合気が生成され、スモークが生じやすくなるという欠点がある。   In Patent Document 1, the dome of the cylinder head is formed in a hemispherical shape, and most of the fuel that collides with the peripheral wall surface of this dome diffuses downward, but part of it diffuses upward. However, since there is little space above the fuel collision portion, there is a drawback that a fuel rich mixture is generated and smoke is likely to be generated.

また、特許文献1では、ピストンの頂部に凹状の燃焼室(ピストンキャビティ)が形成されており、この燃料室の開口径と、ドームの開口径とが同一とされている。そのため、ピストンの上死点付近で燃料を噴射した場合に、燃料が燃焼室からはみ出す可能性が高い。はみ出した燃料は、圧縮行程における強いスキッシュ流によって、ピストンキャビティの中心へ吹き戻されるため、ピストンキャビティ内の混合気が不均一となり、燃焼が悪化する。   In Patent Document 1, a concave combustion chamber (piston cavity) is formed at the top of the piston, and the opening diameter of the fuel chamber is the same as the opening diameter of the dome. Therefore, when fuel is injected near the top dead center of the piston, there is a high possibility that the fuel will protrude from the combustion chamber. The protruding fuel is blown back to the center of the piston cavity by a strong squish flow in the compression stroke, so that the air-fuel mixture in the piston cavity becomes non-uniform and the combustion is worsened.

本発明は、予混合圧縮自着火式の内燃機関において、噴射された燃料噴霧が直接シリンダライナーに衝突することを防止するとともに、燃料の拡散及び空気との混合を促進し、均一な希薄混合気を形成することにより、NOx及びスモークの発生を抑制することを目的とする。   In the premixed compression self-ignition internal combustion engine, the present invention prevents the injected fuel spray from directly colliding with the cylinder liner and promotes the diffusion of the fuel and the mixing with the air, thereby producing a uniform lean mixture. The purpose of this is to suppress the generation of NOx and smoke.

請求項1記載の発明は、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが形成され、ヘッドキャビティの底部に、ヘッドキャビティの周壁面に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴射口を有する噴射ノズルが設けられ、ピストンの頂面に、凹状のピストンキャビティが形成されており、前記ヘッドキャビティの底面が、シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、周壁面が、ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、前記ヘッドキャビティの開口径φXと、前記ピストンキャビティの開口径φYとが、φY≧1.2×φXの関係に設定されていることを特徴とする。   According to the first aspect of the present invention, a concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and a plurality of fuels inject fuel toward the peripheral wall surface of the head cavity at the bottom of the head cavity. An injection nozzle having an injection port is provided, a concave piston cavity is formed on the top surface of the piston, and a bottom surface of the head cavity is formed on a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head. However, the opening diameter φX of the head cavity and the opening diameter φY of the piston cavity are set in a relationship of φY ≧ 1.2 × φX. It is characterized by.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記ヘッドキャビティが、シリンダヘッドに設けた複数のバルブシートの外接円の範囲内に配置されていることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the head cavity is disposed within a circumscribed circle of a plurality of valve seats provided in the cylinder head.

請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記ピストンキャビティの開口径φYと、前記ピストンキャビティの開口より反シリンダヘッド側の最大外径φZとが、φZ≧φYの関係に設定されていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the opening diameter φY of the piston cavity and the maximum outer diameter φZ on the side opposite to the cylinder head from the opening of the piston cavity are set in a relationship of φZ ≧ φY. It is characterized by being.

請求項4記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記ピストンが上死点からクランク角±40°の範囲にあるとき、前記ヘッドキャビティの周壁面に衝突した後の燃料の噴霧軸線が、ピストンキャビティ内に入るように設定されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, when the piston is in a crank angle range of ± 40 ° from the top dead center, the fuel spray axis after colliding with the peripheral wall surface of the head cavity is , And is set to enter the piston cavity.

請求項5記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記燃料噴射口の径φdと、該燃料噴射口から噴射した燃料が前記周壁面に衝突するまでの噴霧軸線の長さLとが、L/d≧50の関係に設定されていることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the diameter φd of the fuel injection port and the length L of the spray axis until the fuel injected from the fuel injection port collides with the peripheral wall surface. , L / d ≧ 50 is set.

請求項6記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記ピストンキャビティの中央部に、シリンダヘッド側へ突出する突出部を備え、該突出部が、反シリンダヘッド側へ向けて拡開状に傾斜する外周面を有し、該外周面の拡開角度Cが、C≦140°に設定されていることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the central portion of the piston cavity is provided with a projecting portion that projects toward the cylinder head, and the projecting portion expands toward the non-cylinder head. And an expansion angle C of the outer peripheral surface is set to C ≦ 140 °.

請求項7記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記ヘッドキャビティ周壁面に衝突した後の燃料の噴霧軸線がピストンキャビティの壁面に衝突した部分の径φVと、ピストンキャビティの最大外径φZとが、φV≧0.5φZの関係に設定されていることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the diameter φV of the portion where the fuel spray axis collides with the wall surface of the piston cavity after colliding with the peripheral wall surface of the head cavity, and the maximum outer diameter of the piston cavity. The relationship between φZ and φV ≧ 0.5φZ is set.

請求項8記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記ピストンキャビティの中央部に、シリンダヘッド側に突出する突出部を備えており、前記ピストンが上死点にあるときに、前記突出部が、シリンダ内の燃焼室を、ヘッドキャビティ内の第1燃焼室とピストンキャビティ内の第2燃焼室とに区画形成するとともに、ヘッドキャビティの開口周縁との間に、第1,第2燃焼室を連通する連通口を形成することを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the central portion of the piston cavity is provided with a protruding portion that protrudes toward the cylinder head, and the protruding portion is located when the piston is at top dead center. The section defines a combustion chamber in the cylinder into a first combustion chamber in the head cavity and a second combustion chamber in the piston cavity, and between the first and second combustion chambers between the opening periphery of the head cavity. A communication port that communicates with the chamber is formed.

請求項1の発明によれば、燃料がヘッドキャビティの周壁面に衝突することによって、シリンダライナーに直接的に付着することが防止されるとともに、衝突によって燃料が微粒化するため、空気との混合が促進される。また、ヘッドキャビティの底面が、シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成されているので、燃料の衝突部分よりもヘッドキャビティの底面側には、従来に比べて広い空間を形成することができ、ヘッドキャビティ内における燃料と空気との混合を促進することができる。さらに、ピストンキャビティの開口径φYをヘッドキャビティの開口径φXの1.2倍以上としているので、ピストンの上死点付近で燃料を噴射した場合に、燃料を確実にピストンキャビティ内に受け入れることができ、ピストンキャビティ内で燃料の流動を活性化させ、均一な混合気の形成を促進することができる。したがって、スモーク等の発生を好適に抑制することができる。   According to the first aspect of the present invention, since the fuel collides with the peripheral wall surface of the head cavity, it is prevented from directly adhering to the cylinder liner, and the fuel is atomized by the collision. Is promoted. In addition, since the bottom surface of the head cavity is formed on a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, a larger space is formed on the bottom surface side of the head cavity than the collision portion of the fuel as compared with the conventional case. And mixing of fuel and air in the head cavity can be promoted. Furthermore, since the opening diameter φY of the piston cavity is 1.2 times or more the opening diameter φX of the head cavity, when fuel is injected near the top dead center of the piston, the fuel can be reliably received in the piston cavity. It is possible to activate the flow of fuel in the piston cavity and promote the formation of a uniform air-fuel mixture. Therefore, generation | occurrence | production of smoke etc. can be suppressed suitably.

シリンダヘッドには、通常2又は4つのバルブシートが形成されており、前記ヘッドキャビティが、バルブシートにまで及んで形成された場合、該バルブシートへのデポジットが増し、好ましくない。一方、ヘッドキャビティが小さすぎると、燃料噴射口からヘッドキャビティの周壁面までの距離が短くなり、噴射された燃料が液状のままヘッドキャビティの周壁面に付着し、白煙発生の原因となる。したがって、請求項2の発明によれば、バルブシートへのデポジットや白煙を生じないように、ヘッドキャビティのサイズを適切に設定できる。   Usually, two or four valve seats are formed on the cylinder head, and when the head cavity extends to the valve seat, the deposit on the valve seat increases, which is not preferable. On the other hand, if the head cavity is too small, the distance from the fuel injection port to the peripheral wall surface of the head cavity becomes short, and the injected fuel adheres to the peripheral wall surface of the head cavity in a liquid state, causing white smoke to be generated. Therefore, according to the invention of claim 2, the size of the head cavity can be appropriately set so as not to cause deposits and white smoke on the valve seat.

請求項3の発明によれば、圧縮行程において、ピストンキャビティ内への強いスキッシュ流を生じさせることができ、ピストンキャビティ内で燃料の撹拌、混合を促進することができる。特に、上記の如く、燃料噴射口から噴射された燃料は、ヘッドキャビティの周壁面に衝突し、径方向外方への拡散エネルギーが失われて、微粒化した状態でキャビティ内を漂う状態となるため、請求項3の如く、ピストンキャビティ内への強いスキッシュ流を生成し、ピストンキャビティ内の流動の乱れを強化することが特に有効である。   According to the invention of claim 3, in the compression stroke, a strong squish flow into the piston cavity can be generated, and fuel agitation and mixing can be promoted in the piston cavity. In particular, as described above, the fuel injected from the fuel injection port collides with the peripheral wall surface of the head cavity, and the diffusion energy outward in the radial direction is lost, so that the atomized state floats in the cavity. Therefore, as described in claim 3, it is particularly effective to generate a strong squish flow into the piston cavity and reinforce the disturbance of the flow in the piston cavity.

NOx低減等のために燃料噴射時期のリタードを行う場合、通常、噴射時期は上死点からクランク角40°の範囲内である。したがって、請求項4の発明によれば、上記リタードを行う場合であっても、ピストンキャビティ内に燃料を吹き付けることができ、ピストンキャビティ内での燃料の流動を活性化させ、混合気を好適に形成することができる。   When retarding the fuel injection timing for NOx reduction or the like, the injection timing is usually within a range of a crank angle of 40 ° from the top dead center. Therefore, according to the invention of claim 4, even when the retard is performed, the fuel can be sprayed into the piston cavity, the flow of fuel in the piston cavity is activated, and the air-fuel mixture is suitably used. Can be formed.

燃料噴射口から噴射された燃料は、噴射口から出た直後の部分が液柱状となり、その周囲で霧状に拡散する。機関始動時等の低負荷運転時に、液柱状の燃料がヘッドキャビティの周壁面に付着すると、燃焼に関与することなく白煙となって排出されてしまう可能性が高くなる。したがって、請求項5の発明によれば、燃料噴射口径φdと、燃料噴射口からヘッドキャビティ周壁面までの距離Lとを適切に設定することで、燃料噴射口から噴射された燃料の液柱状部分が直接周壁面に付着することを防止でき、その結果白煙の発生を防止できる。   The fuel injected from the fuel injection port has a liquid column shape immediately after it exits from the injection port, and diffuses in the form of a mist around it. When the liquid columnar fuel adheres to the peripheral wall surface of the head cavity during low load operation such as when the engine is started, there is a high possibility that white smoke will be discharged without being involved in combustion. Therefore, according to the invention of claim 5, by appropriately setting the fuel injection port diameter φd and the distance L from the fuel injection port to the head cavity peripheral wall surface, the liquid columnar portion of the fuel injected from the fuel injection port Can be prevented from directly adhering to the peripheral wall surface, and as a result, generation of white smoke can be prevented.

ピストンキャビティ内に燃料が吹き付けられたとき、中央突出部の山が低い(外周傾斜の拡開角度が大きい)と、中央突出部に衝突した燃料の貫徹力が失われると共に、径方向外側だけでなく内側にも拡散し、空気量の少ないピストンキャビティ中央部において燃料濃度が高くなり、スモークやすすを生じやすくなる。したがって、請求項6の発明によれば、中央突出部としてある程度の高さ、ある程度急な外周傾斜面を有するものにすることができ、中央突出部に衝突した燃料を貫徹力を失わせることなく径方向外方に拡散させて、混合気の形成を促進することができる。   When the fuel is sprayed into the piston cavity, if the peak of the central protrusion is low (the expansion angle of the outer peripheral slope is large), the penetration force of the fuel that has collided with the central protrusion is lost, and only at the radially outer side In addition, the fuel concentration increases at the center of the piston cavity where the amount of air is small, and smoke and soot are likely to occur. Therefore, according to the sixth aspect of the present invention, the central protrusion can have a certain height and a steep outer peripheral inclined surface, and the fuel colliding with the central protrusion can be lost without losing the penetration force. The formation of the air-fuel mixture can be promoted by diffusing radially outward.

ピストンキャビティ内の中央付近に燃料が吹き付けられ、燃焼すると、外方の空気を使わずに火炎が収縮し、燃焼が縮まる現象(熱ピンチ)を生じることがあり、これによって径方向外方への燃料の拡散が阻害される。したがって、請求項7の発明では、燃料をピストンキャビティの中央部に吹き付けずに、好適に径方向外方に拡散することができ、混合気形成を促進することができる。   When fuel is sprayed near the center of the piston cavity and burned, the flame contracts without using the outside air, and the phenomenon that the combustion contracts (thermal pinch) may occur, which causes the radially outward movement. Fuel diffusion is impeded. Therefore, in the invention of claim 7, the fuel can be preferably diffused radially outward without spraying the central portion of the piston cavity, and the mixture formation can be promoted.

請求項8の発明によれば、第1,第2燃焼室を連通する隙間による絞りの効果で、燃料噴霧の筒内における乱れを活性化し、燃料と空気の高速混合と、壁面衝突によって失われる噴霧の噴霧軸方向への貫徹力とを増強することができ、その結果、燃料と空気との混合を活性化させることができる。   According to the eighth aspect of the present invention, the effect of throttling by the gap communicating with the first and second combustion chambers activates the turbulence of the fuel spray in the cylinder and is lost due to high-speed mixing of fuel and air and wall collision. The penetration force of the spray in the spray axis direction can be increased, and as a result, the mixing of fuel and air can be activated.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本実施形態の内燃機関は、予混合圧縮自着火方式のディーゼルエンジンであり、その構造の詳細について説明する前に、基本的な作動工程を簡単に説明する。図1は、本実施形態のディーゼルエンジンの作動工程の概要を示す説明図である。このディーゼルエンジンは、シリンダ10にピストン11を摺動自在に嵌合するとともに、シリンダヘッド12に、燃料噴射ノズル13、吸気孔14、及び排気孔15を設け、吸気孔14及び排気孔15を、それぞれ吸気用及び排気用バルブ17によって開閉自在にしたものである。ピストン11頂面とシリンダ10側面とシリンダヘッド12下面との間には、燃焼室18が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The internal combustion engine of the present embodiment is a premixed compression auto-ignition type diesel engine, and a basic operation process will be briefly described before the details of the structure are described. FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of the operation process of the diesel engine of the present embodiment. In this diesel engine, a piston 11 is slidably fitted to a cylinder 10, and a fuel injection nozzle 13, an intake hole 14, and an exhaust hole 15 are provided in a cylinder head 12, and the intake hole 14 and the exhaust hole 15 are provided. These can be opened and closed by intake and exhaust valves 17 respectively. A combustion chamber 18 is formed between the top surface of the piston 11, the side surface of the cylinder 10, and the bottom surface of the cylinder head 12.

図1中(a)は吸気行程、(b)は圧縮行程、(c)は膨張行程、(d)は排気行程である。(a)の吸気行程では、ピストン11が上死点から下死点へ移動し、その間に吸気孔14から燃焼室18に空気が取り込まれる。(b)の圧縮行程では、吸気した空気が圧縮されるとともに、圧縮初期から中期にかけて、燃料噴射ノズル13から燃料Sが噴射(プレ噴射)され、空気と燃料との混合気が形成される(予混合)。ピストン11が上死点付近になると、予混合気が圧縮によって昇温、昇圧され、自着火する。また、上死点付近では再度燃料Sが噴射(メイン噴射;(c)に示す)され、該燃料Sは、直ちに蒸発しながら拡散し、高温高圧の雰囲気下で自着火する。このメイン噴射による燃焼で、出力が向上されるとともに、予混合気の燃焼により発生したHCやCOが燃焼される。(c)の膨張行程では、ピストン11が下降し、(d)の排気行程では、排気用バルブ17が開き、ピストン11の上昇により排気孔15から燃焼室18内の排気が排出される。   In FIG. 1, (a) is an intake stroke, (b) is a compression stroke, (c) is an expansion stroke, and (d) is an exhaust stroke. In the intake stroke (a), the piston 11 moves from the top dead center to the bottom dead center, and air is taken into the combustion chamber 18 from the intake hole 14 during that time. In the compression stroke of (b), the intake air is compressed and fuel S is injected (pre-injected) from the fuel injection nozzle 13 from the initial stage to the middle stage of compression to form a mixture of air and fuel ( Premix). When the piston 11 is in the vicinity of the top dead center, the premixed gas is heated and pressurized by compression and self-ignited. Further, near the top dead center, the fuel S is injected again (main injection; shown in (c)), the fuel S immediately diffuses while evaporating, and self-ignites in a high-temperature and high-pressure atmosphere. The combustion by the main injection improves the output and burns HC and CO generated by the combustion of the premixed gas. In the expansion stroke (c), the piston 11 is lowered, and in the exhaust stroke (d), the exhaust valve 17 is opened, and the exhaust in the combustion chamber 18 is discharged from the exhaust hole 15 by the lift of the piston 11.

したがって、本実施形態では、予混合のためのプレ噴射と、通常の圧縮自着火燃焼(ディーゼル燃焼)のためのメイン噴射との複数段の噴射が行われるようになっている。そして、このような複数段の噴射を行うため、上記シリンダ10、ピストン11、燃料噴射ノズル13の形状の適正化が図られている。以下、この点について詳細に説明する。   Therefore, in the present embodiment, multiple stages of injection are performed, that is, pre-injection for premixing and main injection for normal compression self-ignition combustion (diesel combustion). And in order to perform such multi-stage injection, optimization of the shape of the said cylinder 10, the piston 11, and the fuel-injection nozzle 13 is achieved. Hereinafter, this point will be described in detail.

〔ピストン11の構成〕
図2及び図3は、本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図であり、特に、図2はピストン11が上死点よりも下位にある状態(プレ噴射を行っている状態)、図3はピストン11が上死点付近にある状態(メイン噴射を行っている状態)を示す。図2に示すように、ピストン11の頂面には、凹状のピストンキャビティ20が形成されている。ピストンキャビティ20の底部中央には、シリンダヘッド12側に突出する中央突出部21が形成されており、該中央突出部21は、基部(裾野部)の外径が大きく頂部の外径が小さくなるような、山形に形成され、外周面22が反シリンダヘッド12側に向けて拡開状に傾斜する傾斜面となっている。この外周面22の拡開角度にはCを付してある。
[Configuration of Piston 11]
2 and 3 are cross-sectional views of a cylinder top portion of a diesel engine to which the present invention is applied. In particular, FIG. 2 is a state where the piston 11 is below the top dead center (a state where pre-injection is performed), FIG. 3 shows a state where the piston 11 is near top dead center (a state where main injection is performed). As shown in FIG. 2, a concave piston cavity 20 is formed on the top surface of the piston 11. A central protrusion 21 that protrudes toward the cylinder head 12 is formed at the center of the bottom of the piston cavity 20, and the central protrusion 21 has a large outer diameter at the base (bottom) and a smaller outer diameter at the top. The outer peripheral surface 22 is an inclined surface that is inclined so as to expand toward the anti-cylinder head 12 side. C is attached to the expansion angle of the outer peripheral surface 22.

ピストンキャビティ20の底面24は、中央突出部21の傾斜面22になだらかに連なる円弧面に形成されている。ピストンキャビティ20の外周面25は、底面24から連続する円弧面に形成され、ピストン11の頂面まで延びている。ピストンキャビティ20の開口部26は、外周面25よりもやや径方向内方に入り込んでおり、これによって、径方向内方に突出するリップ部27が形成されている。図2において、ピストンキャビティ20の開口径にはφYを付し、ピストンキャビティ20の外周面25における最大外径にはφZを付してある。   The bottom surface 24 of the piston cavity 20 is formed in an arc surface that is gently connected to the inclined surface 22 of the central projecting portion 21. The outer peripheral surface 25 of the piston cavity 20 is formed as a circular arc surface continuous from the bottom surface 24 and extends to the top surface of the piston 11. The opening 26 of the piston cavity 20 is slightly inward in the radial direction from the outer peripheral surface 25, thereby forming a lip portion 27 that protrudes inward in the radial direction. In FIG. 2, φY is given to the opening diameter of the piston cavity 20, and φZ is given to the maximum outer diameter of the outer peripheral surface 25 of the piston cavity 20.

〔シリンダヘッド12の構成〕
図5は、シリンダヘッドを拡大して示す断面図である。図2、図3、及び図5に示すように、ピストン11頂面に対向するシリンダヘッド12の爆面28には、凹状のヘッドキャビティ29が設けられており、該ヘッドキャビティ29は、裁頭円錐形に形成されている。すなわち、ヘッドキャビティ29の底面30は、爆面28に略平行な平坦面に形成されており、ヘッドキャビティ29の周壁面31は、ピストン11側(図2の下側)に向けて拡開状に傾斜されている。図2において、ヘッドキャビティ29の開口径にはφXを付し、周壁面31の拡開角度にはAを付してある。
[Configuration of Cylinder Head 12]
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the cylinder head. As shown in FIGS. 2, 3, and 5, the explosive surface 28 of the cylinder head 12 facing the top surface of the piston 11 is provided with a concave head cavity 29. It is formed in a conical shape. That is, the bottom surface 30 of the head cavity 29 is formed as a flat surface substantially parallel to the explosion surface 28, and the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 is expanded toward the piston 11 side (lower side in FIG. 2). It is inclined to. In FIG. 2, φX is attached to the opening diameter of the head cavity 29, and A is attached to the opening angle of the peripheral wall surface 31.

図6は、図2のVI−VI矢視断面図である。シリンダヘッド12には、吸気用、排気用のバルブシート33が各2個ずつ設けられ、各バルブシート33に吸気用、排気用のバルブ17が設けられている。ヘッドキャビティ29は、4つのバルブ17の間に囲まれ、各バルブシート33に外接する大きさに形成されている。ただし、必ずしも各バルブシート33に外接しなくても、その外接円の範囲内で可及的に大きく形成することができる。   6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. The cylinder head 12 is provided with two valve seats 33 for intake and exhaust, and each valve seat 33 is provided with a valve 17 for intake and exhaust. The head cavity 29 is surrounded by the four valves 17 and has a size that circumscribes each valve seat 33. However, even if it does not necessarily circumscribe each valve seat 33, it can be formed as large as possible within the range of the circumscribed circle.

図5に示すように、本実施形態では、ヘッドキャビティ29の周壁面31に、シリンダヘッド12とは別の素材で形成された燃料衝突部34を設けている。この燃料衝突部34は、ヘッドキャビティ29の深さ全体に渡る幅を有し、当該幅に渡って均等な厚さに形成されている。素材としては、耐熱性及び断熱性を有するものが用いられ、例えば、SUH系の耐熱鋼等が用いられる。ただし、この燃料衝突部34を省略し、シリンダヘッド12そのものの素材で周壁面31を構成してもよい。   As shown in FIG. 5, in the present embodiment, a fuel collision portion 34 formed of a material different from the cylinder head 12 is provided on the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29. The fuel collision portion 34 has a width over the entire depth of the head cavity 29 and is formed to have a uniform thickness over the width. As a raw material, what has heat resistance and heat insulation is used, for example, SUH heat-resistant steel etc. are used. However, the fuel collision part 34 may be omitted, and the peripheral wall surface 31 may be made of the material of the cylinder head 12 itself.

〔燃料噴射ノズル13の構成〕
図2及び図3に示すように、ヘッドキャビティ29の底面30の中央部には、燃料噴射ノズル13が設けられている。噴射ノズル13は、下部にニードル弁を収容した細径部36、上部に細径部36よりも大径の太径部37を有しており、細径部36と太径部37との間には段部38が形成されている。噴射ノズル13は、シリンダヘッド12に形成された保持孔39にホルダー40を介して装着されている。ホルダー40は、筒形に形成されるとともに、筒内部が、噴射ノズル13の外形に適合した形状に形成されている。ホルダー40の内面と細径部36との間には、両者間の気密を保つ筒形の第1シール材41が介装され、ホルダー40と段部38との間には環状の第2シール材42が介装されている。ホルダー40の先端部は、保持孔39を介してヘッドキャビティ29の底面に露出している。また、ホルダー40の先端部には、径内方向に折曲部43が突設され、折曲部43によって第1シール材41を下側から受けている。
[Configuration of Fuel Injection Nozzle 13]
As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel injection nozzle 13 is provided at the center of the bottom surface 30 of the head cavity 29. The injection nozzle 13 has a small-diameter portion 36 that accommodates a needle valve in the lower portion and a large-diameter portion 37 that is larger in diameter than the small-diameter portion 36 in the upper portion, and between the small-diameter portion 36 and the large-diameter portion 37. A stepped portion 38 is formed in the upper portion. The injection nozzle 13 is attached to a holding hole 39 formed in the cylinder head 12 via a holder 40. The holder 40 is formed in a cylindrical shape, and the inside of the cylinder is formed in a shape that matches the outer shape of the injection nozzle 13. Between the inner surface of the holder 40 and the small-diameter portion 36, a cylindrical first sealing material 41 is provided to keep the airtight therebetween, and an annular second seal is provided between the holder 40 and the step portion 38. A material 42 is interposed. The tip of the holder 40 is exposed on the bottom surface of the head cavity 29 through the holding hole 39. In addition, a bent portion 43 protrudes from the distal end portion of the holder 40 in the radially inward direction, and the first seal material 41 is received from the lower side by the bent portion 43.

図5に示すように、噴射ノズル13の先端には、複数の燃料噴射口44が形成されている。燃料噴射口44は、ノズル軸心O1を中心として放射状に、4〜10個形成されている。各噴射口44は、それぞれヘッドキャビティ29の周壁面31(燃料衝突部34)に向けて開口している。   As shown in FIG. 5, a plurality of fuel injection ports 44 are formed at the tip of the injection nozzle 13. Four to ten fuel injection ports 44 are formed radially about the nozzle axis O1. Each injection port 44 opens toward the peripheral wall surface 31 (fuel collision part 34) of the head cavity 29, respectively.

〔ヘッドキャビティ29と燃料噴射ノズル13との関係〕
図2に示すように、噴射ノズル13の燃料噴射口44から噴射された燃料は、全体として円錐状又は水平に放射方向に拡散する。このときの噴霧軸線X1の拡散角度(噴霧角度)をBとすると、120°≦B≦180°に設定されている。このように設定することによって、燃料が直接周壁面31に衝突するようになっている。この衝突によって、燃料は、方向が変えられるとともに、微粒化されるようになっている。
[Relationship Between Head Cavity 29 and Fuel Injection Nozzle 13]
As shown in FIG. 2, the fuel injected from the fuel injection port 44 of the injection nozzle 13 diffuses in a radial direction conically or horizontally as a whole. If the diffusion angle (spray angle) of the spray axis X1 at this time is B, 120 ° ≦ B ≦ 180 ° is set. By setting in this way, the fuel directly collides with the peripheral wall surface 31. By this collision, the direction of the fuel is changed and the fuel is atomized.

したがって、プレ噴射を行う場合において(図1(b)、図2)、燃料が直接シリンダライナー46に衝突して付着してしまうことを防止することができる。また、周壁面31に対する衝突で燃料が微粒化するので、空気との混合をより促進することができる。なお、図2には、比較として、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突しない場合の噴霧軸線X2を2点差線で例示しており、この場合、シリンダライナー46に燃料が衝突することになる。   Therefore, when pre-injection is performed (FIGS. 1B and 2), it is possible to prevent the fuel from directly colliding with the cylinder liner 46 and adhering thereto. Further, since the fuel is atomized by the collision with the peripheral wall surface 31, the mixing with the air can be further promoted. In FIG. 2, as a comparison, the spray axis X <b> 2 when it does not collide with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 is illustrated by a two-point difference line. In this case, the fuel collides with the cylinder liner 46.

上記噴霧角度Bを120°以上としたのは、それ以下であると、ヘッドキャビティ29の周壁面31に燃料を衝突させるためにヘッドキャビティ29を深く形成する必要が生じ、シリンダヘッド12の大幅な構造の変更を伴うことになるからである。噴霧角度Bを180°以下としたのは、それ以上であると、噴射ノズル13における流量係数が低下するからである。また、メイン噴射を行う場合において、ヘッドキャビティ29内の上部側(底面30側)に多くの燃料が拡散し、該部分の燃料濃度が高くなり、スモーク発生の原因となるからである。   If the spray angle B is set to 120 ° or more, it is necessary to form the head cavity 29 deep in order to cause the fuel to collide with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29. This is because it involves a change in structure. The reason why the spray angle B is set to 180 ° or less is that if it is more than that, the flow coefficient in the injection nozzle 13 decreases. In addition, when performing the main injection, a large amount of fuel diffuses in the upper side (the bottom surface 30 side) in the head cavity 29, and the fuel concentration in the portion becomes high, which causes the generation of smoke.

一方、ヘッドキャビティ29の周壁面31の拡開角度Aは、60°≦A≦120°に設定されている。この拡開角度Aは、小さければ小さいほど、衝突後の燃料がシリンダライナー46に付着する可能性を低くする。しかし、拡開角度Aを小さくすることは、メイン噴射(図1(c)、図3)を行う場合の燃料拡散の妨げになる。すなわち、メイン噴射され周壁面31に衝突した後の燃料と、シリンダ10内の径方向外側に存在する多量の空気との混合を促進することが困難となり、均一な混合気形成の妨げになる。また、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突した燃料がヘッドキャビティ29内の上部側に多く拡散されることになり、ヘッドキャビティ29内の燃料過濃によりスモークを生じ易くなる。したがって、本実施形態では、拡開角度Aを、上記の如く設定することにより、プレ噴射、メイン噴射の双方において、適切な混合気形成を実現している。   On the other hand, the expansion angle A of the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 is set to 60 ° ≦ A ≦ 120 °. The smaller the spread angle A, the lower the possibility that the fuel after the collision will adhere to the cylinder liner 46. However, reducing the expansion angle A hinders fuel diffusion when performing main injection (FIGS. 1C and 3). That is, it becomes difficult to promote the mixing of the fuel after the main injection and collides with the peripheral wall surface 31 and a large amount of air existing outside in the cylinder 10 in the radial direction, which hinders the formation of a uniform air-fuel mixture. Further, a large amount of fuel colliding with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 is diffused to the upper side in the head cavity 29, and smoke is likely to be generated due to excessive fuel concentration in the head cavity 29. Therefore, in the present embodiment, by setting the expansion angle A as described above, appropriate mixture formation is realized in both the pre-injection and the main injection.

また、ヘッドキャビティ29の周壁面31と燃料の噴霧軸線X1との、ピストン11側の交差角度をDとすると、120°≦D<180°に設定されている。このDが120°以下であると、メイン噴射を行う場合において、ヘッドキャビティ29内の上部側への燃料の拡散が多くなり、スモークが発生し易くなり、180°以上であると、実質的に燃料がほとんど周壁面31に衝突しなくなるからである。   Further, assuming that the intersection angle between the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 and the fuel spray axis X1 on the piston 11 side is D, 120 ° ≦ D <180 ° is set. When D is 120 ° or less, in the case of performing main injection, the diffusion of fuel to the upper side in the head cavity 29 increases, and smoke is likely to be generated. This is because the fuel hardly collides with the peripheral wall surface 31.

上記ヘッドキャビティ29は、底面30がシリンダヘッド12の爆面28と略平行な平坦面に形成されており、図5に示すように、底面30と周壁面31との境界に角部47が形成されている。この角部47の存在によって、ヘッドキャビティ29内の上部側には、従来技術(ドーム形乃至円錐形のヘッドキャビティ)よりも広い空間Rが確保されている。そのため、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突した燃料がヘッドキャビティ29の上部側(底面30側)に拡散したとしても、従来技術に比べて空気との混合が促進されるようになっている。   The head cavity 29 has a bottom surface 30 formed on a flat surface substantially parallel to the explosion surface 28 of the cylinder head 12, and a corner 47 is formed at the boundary between the bottom surface 30 and the peripheral wall surface 31 as shown in FIG. 5. Has been. Due to the presence of the corner portion 47, a space R wider than the conventional technique (dome-shaped or conical head cavity) is secured on the upper side in the head cavity 29. Therefore, even if the fuel that collided with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 diffuses to the upper side (the bottom surface 30 side) of the head cavity 29, mixing with air is promoted as compared with the prior art.

なお、燃料噴射口44から噴射された燃料は、その全てが周壁面31に衝突しなくてもよく、少なくとも噴霧軸線X1が周壁面31に衝突するように設定されていればよい。すなわち、噴霧軸線X1が周壁面31に衝突した部分と爆面28とのシリンダ軸心方向の距離をEとしたとき、E>0の条件を満たしていればよい。燃料液滴の速さは噴霧軸X1上で最も高く、径方向外方にいくに従い周囲空気とのせん断作用で速さが低下するため、噴霧軸線X1より下側の燃料は、霧状になり、貫徹力が小さくなって、周壁面31に衝突しなくてもシリンダライナー46に至ることが少なくなり、また、周壁面31に衝突した燃料が下向き成分となって拡散することによって、シリンダライナー46に向かう貫徹力を一層弱めるからである。   The fuel injected from the fuel injection port 44 does not have to collide with the peripheral wall surface 31 as long as it is set so that at least the spray axis X1 collides with the peripheral wall surface 31. In other words, when the distance in the cylinder axial direction between the portion where the spray axis X1 collides with the peripheral wall surface 31 and the explosion surface 28 is E, it is only necessary to satisfy the condition of E> 0. The speed of the fuel droplets is highest on the spray axis X1, and the speed decreases due to the shearing action with the surrounding air as it goes radially outward, so the fuel below the spray axis X1 becomes mist-like. The penetrating force is reduced, so that the cylinder liner 46 is less likely to reach the cylinder liner 46 without colliding with the peripheral wall surface 31, and the cylinder liner 46 is diffused by the fuel colliding with the peripheral wall surface 31 being diffused as a downward component. This is because the penetrating ability to go to is further weakened.

燃料は、燃料噴射口44から出た直後は液柱状であり、その後霧状に拡散しつつ周壁面31に到るようになっている。本実施形態では、燃料噴射口44から周壁面31までの噴霧軸線X1の距離(長さ)Lと、燃料噴射口44の口径φdとが、L/φd≧50の関係に設定されている。このように設定することで、燃料Sの液柱部分S1(長さをL1で示す)が直接周壁面31に衝突して付着しないようになっている。   The fuel is in the form of a liquid column immediately after exiting from the fuel injection port 44 and then reaches the peripheral wall surface 31 while diffusing in a mist form. In the present embodiment, the distance (length) L of the spray axis X1 from the fuel injection port 44 to the peripheral wall surface 31 and the diameter φd of the fuel injection port 44 are set to have a relationship of L / φd ≧ 50. By setting in this way, the liquid column portion S1 (length is indicated by L1) of the fuel S directly collides with the peripheral wall surface 31 and does not adhere thereto.

機関始動時等の低負荷運転時に、液柱状の燃料がヘッドキャビティ29の周壁面31に付着すると、燃焼に関与することなく白煙となって排出されてしまうが、上記の如く、距離Lと口径φdとを設定することで、このような問題を解決することができる。なお、距離Lと口径φdとの上記関係は、燃料噴射圧を約50MPa以上とした場合に特に有効である。   If the liquid columnar fuel adheres to the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 during low load operation such as when starting the engine, white smoke is discharged without being involved in combustion. Such a problem can be solved by setting the diameter φd. The above relationship between the distance L and the diameter φd is particularly effective when the fuel injection pressure is about 50 MPa or more.

前述したように、ヘッドキャビティ29の周壁面31には、断熱性及び耐熱性を有する燃料衝突部34が設けられている。シリンダヘッド12は冷却水によって冷却されるが、この燃料衝突部34は、その断熱性によって温度が低下し難くなっている。したがって、燃料衝突部34に衝突した燃料は、燃料衝突部34の熱によって蒸発しやすくなり、付着した燃料が白煙となって排出されることが防止されている。   As described above, the fuel collision portion 34 having heat insulation and heat resistance is provided on the peripheral wall 31 of the head cavity 29. Although the cylinder head 12 is cooled by the cooling water, the temperature of the fuel collision part 34 is difficult to be lowered due to the heat insulating property. Therefore, the fuel that has collided with the fuel collision part 34 is easily evaporated by the heat of the fuel collision part 34, and the attached fuel is prevented from being discharged as white smoke.

ヘッドキャビティは、図6に示したように、吸気用及び排気用の4つのバルブシート33に外接するように設けられている。すなわち、バルブシート33を侵食しない範囲で最大限に形成されている。これにより、燃料噴射ノズル13からヘッドキャビティ29の周壁面31までの距離を可及的に遠くすることができ、燃料の液柱部分S1が周壁面31に付着することを防止している。   As shown in FIG. 6, the head cavity is provided so as to circumscribe the four valve seats 33 for intake and exhaust. That is, the valve seat 33 is formed to the maximum extent that does not erode. As a result, the distance from the fuel injection nozzle 13 to the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 can be made as long as possible, and the liquid column portion S1 of the fuel is prevented from adhering to the peripheral wall surface 31.

〔ヘッドキャビティとピストンキャビティとの関係〕
上記ヘッドキャビティ29の開口径φXは、ピストンキャビティ20の開口部26の径φYよりも、小さく形成されている。具体的には、φY≧1.2×φXの関係にある。したがって、メイン噴射(図1(c)、図3)を行う場合において、噴射ノズル13から噴射されヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突した燃料は、そのほとんどがピストンキャビティ20内に導入される。そして、圧縮行程におけるピストンキャビティ20内へのスキッシュ流と、膨張行程におけるピストンキャビティ20外への逆スキッシュ流によって、燃料の流動に強い乱れが生じるとともに、ピストン11内の径方向外側において空気との混合がより促進されるようになっている。
[Relationship between head cavity and piston cavity]
The opening diameter φX of the head cavity 29 is formed smaller than the diameter φY of the opening 26 of the piston cavity 20. Specifically, there is a relationship of φY ≧ 1.2 × φX. Therefore, in the case of performing main injection (FIGS. 1C and 3), most of the fuel injected from the injection nozzle 13 and colliding with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 is introduced into the piston cavity 20. The squish flow into the piston cavity 20 during the compression stroke and the reverse squish flow outside the piston cavity 20 during the expansion stroke cause a strong turbulence in the flow of the fuel, and the air flows outside the piston 11 in the radial direction. Mixing is promoted more.

なお、ピストンキャビティ20の開口部26の径φYは、ピストンキャビティ20の外周面25の外径(最大外形)φZよりも小さく形成され、開口部26には、径方向内方に突出するリップ部27が形成されているため、より強いスキッシュ流及び逆スキッシュ流を得ることができる。   The diameter φY of the opening 26 of the piston cavity 20 is formed smaller than the outer diameter (maximum outer shape) φZ of the outer peripheral surface 25 of the piston cavity 20, and the opening 26 has a lip portion protruding radially inward. Since 27 is formed, a stronger squish flow and a reverse squish flow can be obtained.

〔噴射燃料とピストンキャビティ20との関係〕
ピストンキャビティ20に形成された突出部21は、既に説明したように山形に形成されており、その外周面22の拡開角度Cは、C≦140°に設定されている。メイン噴射を行う場合において(図1(c)、図3)、噴射ノズル13から噴射されヘッドキャビティ29に衝突した燃料は、さらに円錐状に広がりながらピストンキャビティ20内の突出部21の外周面22の傾斜に衝突する。したがって、突出部斜面22に衝突したのちも、燃料はさらに径方向外側に導かれ、空気との混合が促進されるようになっている。
[Relationship between injected fuel and piston cavity 20]
The protrusion 21 formed in the piston cavity 20 is formed in a mountain shape as described above, and the expansion angle C of the outer peripheral surface 22 is set to C ≦ 140 °. In the case of performing the main injection (FIGS. 1C and 3), the fuel injected from the injection nozzle 13 and colliding with the head cavity 29 spreads further in a conical shape, and the outer peripheral surface 22 of the protrusion 21 in the piston cavity 20. Collide with the slope. Therefore, even after colliding with the projecting portion inclined surface 22, the fuel is further guided radially outward to promote mixing with the air.

図3に示すように、ピストンキャビティ20に対して燃料が衝突した部分の径φVと、ピストンキャビティ20の最大外径φZとは、φV≧0.5×φZの関係にある。したがって、メイン噴射を行った場合に、燃料は、ピストンキャビティ内の径方向外方に広がり、空気との混合が促進される。したがって、ピストンキャビティ20の中央付近に燃料が噴射されて、径方向外方の空気を使わずに火炎が収縮する”熱ピンチ”の発生が防止されるようになっている。   As shown in FIG. 3, the diameter φV of the portion where the fuel collides with the piston cavity 20 and the maximum outer diameter φZ of the piston cavity 20 are in a relationship of φV ≧ 0.5 × φZ. Therefore, when the main injection is performed, the fuel spreads radially outward in the piston cavity, and mixing with air is promoted. Therefore, the fuel is injected near the center of the piston cavity 20 to prevent the occurrence of “thermal pinch” in which the flame contracts without using radially outward air.

上記メイン噴射は、ピストン11がほぼ上死点にあるときだけでなく、主としてNOx低減のために、上死点を過ぎた後に遅延してなされる場合がある。このような場合に、噴射された燃料がピストンキャビティ20から外れて噴射されると、均一な混合気の生成が阻害され、スモークが増加する。したがって、本実施形態では、ピストン11が上死点からクランク角±40°の範囲内にあるときに、噴射された燃料が確実にピストンキャビティ20内に入るように、燃料噴射角B、周壁面31の拡開角度A、ピストンキャビティ20の開口径φY等が設定されている。一例として、図4には、クランク角が上死点±30°の場合のピストン11の配置を示している。   The main injection may be delayed not only when the piston 11 is substantially at the top dead center but also after passing the top dead center mainly for NOx reduction. In such a case, if the injected fuel is injected out of the piston cavity 20, the generation of a uniform air-fuel mixture is hindered and smoke is increased. Therefore, in the present embodiment, when the piston 11 is within the range of the crank angle ± 40 ° from the top dead center, the fuel injection angle B and the peripheral wall surface are ensured so that the injected fuel surely enters the piston cavity 20. An expansion angle A of 31, an opening diameter φY of the piston cavity 20 and the like are set. As an example, FIG. 4 shows the arrangement of the pistons 11 when the crank angle is top dead center ± 30 °.

なお、本実施形態では、周壁面31に衝突した燃料の噴霧軸線X1が、径方向外方へ最大に広がった場合、すなわち、燃料の噴霧軸線X1が、周壁面31に衝突したあと、そのまま周壁面31の傾斜に沿って拡散した場合を想定して、噴霧軸線X1がピストンキャビティ20内に入るように設定している。   In the present embodiment, when the fuel spray axis X1 that collides with the peripheral wall surface 31 spreads out to the maximum in the radial direction, that is, after the fuel spray axis X1 collides with the peripheral wall surface 31, The spray axis X 1 is set so as to enter the piston cavity 20, assuming the case of diffusion along the inclination of the wall surface 31.

〔第2実施形態〕
図7は、本発明の第2実施形態を示すシリンダ頂部の断面図である。本実施形態では、ピストンキャビティ20の中央突出部21の頂面21Aが、ヘッドキャビティ29の開口径φXよりもやや小さい外径φUを有する平坦な円形に形成され、且つ、ピストン11の頂面よりもやや反シリンダヘッド12側に後退した位置に配置されている。そして、中央突出部21は、ピストン11が上死点付近にあるとき、ヘッドキャビティ29内の第1燃焼室49と、ピストンキャビティ内の第2燃焼室50とに燃焼室を区画するようになっている。第1燃焼室49と第2燃焼室50とは、中央突出部21の頂面21A外周部と、ヘッドキャビティ29の開口縁との間に形成される隙間(連通口)51によって連通されている。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a cross-sectional view of the cylinder top portion showing the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the top surface 21A of the central protrusion 21 of the piston cavity 20 is formed in a flat circular shape having an outer diameter φU that is slightly smaller than the opening diameter φX of the head cavity 29, and from the top surface of the piston 11. It is arranged at a position slightly retracted to the side opposite to the cylinder head 12. The central protrusion 21 divides the combustion chamber into a first combustion chamber 49 in the head cavity 29 and a second combustion chamber 50 in the piston cavity when the piston 11 is near top dead center. ing. The first combustion chamber 49 and the second combustion chamber 50 are communicated by a gap (communication port) 51 formed between the outer peripheral portion of the top surface 21A of the central protrusion 21 and the opening edge of the head cavity 29. .

本実施形態では、ピストン11が上死点から下降するに伴い、狭い連通口51を通じて第1燃焼室49から第2燃焼室50への噴流が生じ、シリンダ10内の流動の乱れが活性化される。したがって、メイン噴射(図1(c)、図3)を行う場合において、燃料と空気との高速な混合が可能になり、燃料がヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突することにより失われる噴霧の噴霧軸X1方向への貫徹力を増強することができる。その結果、燃料と空気との混合が活性化される。   In the present embodiment, as the piston 11 descends from the top dead center, a jet flow from the first combustion chamber 49 to the second combustion chamber 50 is generated through the narrow communication port 51, and the turbulence of the flow in the cylinder 10 is activated. The Therefore, in the case of performing the main injection (FIG. 1 (c), FIG. 3), the fuel and air can be mixed at high speed, and the spray that is lost when the fuel collides with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29. The penetration force in the direction of the spray axis X1 can be increased. As a result, the mixing of fuel and air is activated.

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく適宜設計変更可能である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately changed in design.

本発明は、予混合圧縮自着火方式のディーゼルエンジンに好適に採用することができる。   The present invention can be suitably employed in a premixed compression auto-ignition diesel engine.

本実施形態のディーゼルエンジンの作動工程の概要を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline | summary of the operation process of the diesel engine of this embodiment. 本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図である。It is sectional drawing of the cylinder top part of the diesel engine to which this invention is applied. 本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図である。It is sectional drawing of the cylinder top part of the diesel engine to which this invention is applied. 本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図である。It is sectional drawing of the cylinder top part of the diesel engine to which this invention is applied. ヘッドキャビティ及び燃料噴射ノズル13を拡大して示す断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a head cavity and a fuel injection nozzle 13. 図2のVI−VI矢視断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. 2. 本発明の第2実施形態を示すシリンダ頂部の断面図である。It is sectional drawing of the cylinder top part which shows 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 シリンダ
11 ピストン
12 シリンダヘッド
13 燃料噴射ノズル
20 ピストンキャビティ
21 突出部
22 外周面
26 開口部
28 爆面
29 ヘッドキャビティ
30 底面
31 周壁面
33 バルブシート
44 燃料噴射口
46 シリンダライナー
49 第1燃焼室
50 第2燃焼室
51 連通口

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Cylinder 11 Piston 12 Cylinder head 13 Fuel injection nozzle 20 Piston cavity 21 Protrusion part 22 Outer peripheral surface 26 Opening part 28 Explosive surface 29 Head cavity 30 Bottom surface 31 Perimeter wall surface 33 Valve seat 44 Fuel injection port 46 Cylinder liner 49 1st combustion chamber 50 Second combustion chamber 51 Communication port

Claims (8)

ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが形成され、ヘッドキャビティの底部に、ヘッドキャビティの周壁面に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴射口を有する噴射ノズルが設けられ、ピストンの頂面に、凹状のピストンキャビティが形成されており、
前記ヘッドキャビティの底面が、シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、周壁面が、ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、
前記ヘッドキャビティの開口径φXと、前記ピストンキャビティの開口径φYとが、φY≧1.2×φXの関係に設定されていることを特徴とする、予混合圧縮自着火式内燃機関。
A concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and an injection nozzle having a plurality of fuel injection ports for injecting fuel toward the peripheral wall surface of the head cavity is provided at the bottom of the head cavity. A concave piston cavity is formed on the top surface of the piston,
The bottom surface of the head cavity is formed as a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, and the peripheral wall surface is inclined so as to expand toward the piston side,
2. A premixed compression self-ignition internal combustion engine characterized in that an opening diameter φX of the head cavity and an opening diameter φY of the piston cavity are set in a relationship of φY ≧ 1.2 × φX.
前記ヘッドキャビティが、シリンダヘッドに設けた複数のバルブシートの外接円の範囲内に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。   2. The premixed compression self-ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the head cavity is disposed within a circumscribed circle of a plurality of valve seats provided in the cylinder head. 前記ピストンキャビティの開口径φYと、前記ピストンキャビティの開口より反シリンダヘッド側の最大外径φZとが、φZ≧φYの関係に設定されていることを特徴とする、請求項1記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。   2. The premixing according to claim 1, wherein an opening diameter φY of the piston cavity and a maximum outer diameter φZ on the side opposite to the cylinder head from the opening of the piston cavity are set in a relationship of φZ ≧ φY. A compression self-ignition internal combustion engine. 前記ピストンが上死点からクランク角±40°の範囲にあるとき、前記ヘッドキャビティの周壁面に衝突した後の燃料の噴霧軸線が、ピストンキャビティ内に入るように設定されていることを特徴とする、請求項1記載の圧縮自着火式内燃機関。   When the piston is in a range of crank angle ± 40 ° from top dead center, the fuel spray axis after colliding with the peripheral wall surface of the head cavity is set to enter the piston cavity. The compression self-ignition internal combustion engine according to claim 1. 前記燃料噴射口の径φdと、該燃料噴射口から噴射した燃料が前記周壁面に衝突するまでの噴霧軸線の長さLとが、L/d≧50の関係に設定されていることを特徴とする、請求項1記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。   The diameter φd of the fuel injection port and the length L of the spray axis until the fuel injected from the fuel injection port collides with the peripheral wall surface are set such that L / d ≧ 50. The premixed compression self-ignition internal combustion engine according to claim 1. 前記ピストンキャビティの中央部に、シリンダヘッド側へ突出する突出部を備え、該突出部が、反シリンダヘッド側へ向けて拡開状に傾斜する外周面を有し、該外周面の拡開角度Cが、C≦140°に設定されていることを特徴とする、請求項1記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。   The piston cavity has a projecting portion projecting toward the cylinder head side at the center portion, and the projecting portion has an outer peripheral surface that is inclined so as to expand toward the non-cylinder head side, and the expansion angle of the outer peripheral surface 2. The premixed compression self-ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein C is set to C ≦ 140 °. 前記ヘッドキャビティ周壁面に衝突した後の燃料の噴霧軸線が前記ピストンキャビティ内の壁面に衝突した部分の径φVと、ピストンキャビティの最大外径φZとが、φV≧0.5φZの関係に設定されていることを特徴とする、請求項1記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。   The diameter φV of the portion where the spray axis of the fuel after colliding with the peripheral wall surface of the head cavity collides with the wall surface in the piston cavity and the maximum outer diameter φZ of the piston cavity are set in a relationship of φV ≧ 0.5φZ. The premixed compression self-ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein 前記ピストンキャビティの中央部に、シリンダヘッド側に突出する突出部を備えており、前記ピストンが上死点にあるときに、前記突出部が、シリンダ内の燃焼室を、ヘッドキャビティ内の第1燃焼室とピストンキャビティ内の第2燃焼室とに区画形成するとともに、ヘッドキャビティの開口周縁との間に、第1,第2燃焼室を連通する連通口を形成することを特徴とする、請求項1記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。

A projecting portion projecting toward the cylinder head is provided at the center of the piston cavity, and when the piston is at top dead center, the projecting portion defines a combustion chamber in the cylinder as a first in the head cavity. A compartment is formed in the combustion chamber and the second combustion chamber in the piston cavity, and a communication port for communicating the first and second combustion chambers is formed between the opening periphery of the head cavity. Item 2. A premixed compression self-ignition internal combustion engine according to item 1.

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