JP2007051591A

JP2007051591A - 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造

Info

Publication number: JP2007051591A
Application number: JP2005237820A
Authority: JP
Inventors: Masaru Nakajima; 大中島
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-08-18
Also published as: JP4580309B2

Abstract

【課題】排気ガスの再循環量を増やしても黒煙の発生を回避し得る直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供する。
【解決手段】ピストン９頂部に形作ったキャビティ１０の内方へ燃料を噴射して自己着火させる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティ１０の半径方向外側寄り部位から半径方向内側へ向かう凹湾曲面をなす外側曲面部２４と、外側曲面部２４の下端部全周から半径方向内側に向けて下がり込み且つ引き続き立ち上がる凹湾曲面をなす内側曲面部２５と、内側曲面部２５の上端部全周からピストン９中心に向けて扁平な円錐状をなすセンタコーン２６とを備え、内側曲面部２５の縦断面の曲率を外側曲面部２４の縦断面の曲率よりも小さく設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関するものである。

車両用エンジンには、排気経路から分流した排気を吸気経路に戻して、ＮＯｘの発生を低減させる排気再循環（ＥＧＲ:Exhaust Gas Recirculation）を採用したものがある。

図８は排気再循環を採用した車両用エンジンの一例であり、ここに図示したディーゼルエンジン１では、排気２が流通する排気通路３と吸気通路４をＥＧＲパイプ５により接続しており、当該ＥＧＲパイプ５にはＥＧＲバルブ６が組み込んである。

ＥＧＲバルブ６を開くと、ディーゼルエンジン１から排気通路３へ送出される排気２の一部がＥＧＲパイプ５を経て吸気通路４に導かれ、吸気７とともにディーゼルエンジン１の気筒内に送り込まれる。

これにより、気筒内の燃焼温度の低下が図られ、ＮＯｘの発生が低減することになる。

ディーゼルエンジン１の各気筒の天井部には、燃料（軽油）を気筒内に噴射する多孔式のインジェクタ８が装備され、また、ピストン９の頂部には、燃焼室の大半をなすように窪むキャビティ１０が形作ってある。

ピストン９の頂部のキャビティ１０は図９に示すように、その開口の外縁部をなす入口リップ部１１と、該入口リップ部１１から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して入口リップ部１１より半径方向外側へ張り出すリエントラント部１２と、該リエントラント部１２から半径方向内側へ向かう緩やかな凹湾曲面をなす外側曲面部１３と、該外側曲面部１３の下端部全周からピストン中心Ｏに向けて扁平な円錐状をなすセンタコーン１４とを備えている。

インジェクタ８からの燃料の噴射は、制御装置１５からの燃料噴射指令８ａに基づき、気筒内温度が高くなる圧縮行程終期（圧縮上死点近辺）で実行される。

また、制御装置１５には、アクセル開度をエンジン負荷として検出するアクセルセンサ１６からのアクセル開度信号１６ａや、エンジン回転数を検出する回転センサ１７からの回転数信号１７ａ等が入力されており、各種制御に応じてディーゼルエンジン１の運転状態が常に監視されている。

更に、図８における１８はクランクシャフト、１９は排気ポート、２０は排気弁、２１は吸気ポート、２２は吸気弁であり、吸気弁２２及び排気弁２０は、エンジン駆動のカムシャフトに付帯しているカムにより、プッシュロッドやロッカーアームを介して、各気筒ごとの行程に応じた適切な時期に開弁操作される。

この種の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関連する先行技術文献情報としては、例えば、下記の特許文献１や特許文献２等が既に提案されている状況にある。
特開平６−２１２９７３号公報特開平７−１５０９４４号公報

しかしながら、図８に示すような従来の車両用エンジンにおいて、排気通路３から分流した排気２を気筒に送り込んでＮＯｘの低減化を図ることは、気筒内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にある。

つまり、大幅なＮＯｘの低減化を実現するために排気２の再循環量を増やしてしまうと、黒煙の発生や燃費の悪化等といった問題を招いてしまう。

そこで、本発明者は、図９に示す既存の燃焼室構造に関し、燃料の拡散状況に着目して鋭意研究を続けたところ、図１０（圧縮上死点）のように、リエントラント部１２に向けて噴射された燃料は、図１１（クランク角６°）や図１２（クランク角１２°）のように、リエントラント部１２に衝突し、その燃料の噴射で生じた空気流が外側曲面部１３に沿いセンタコーン１４まで下降して半径方向内側へ折り返され、更に、図１３（クランク角１８°）のように、その上方で燃料噴射後半の半径方向外側へ向かう空気流が残存しているため、図１４（クランク角３０°）のようなキャビティ１０内で循環する大きな渦が形成され、図１５（クランク角４０°）のように、燃料の大半がキャビティ１０内に留まり、ここに燃料の濃い領域が局所的に形成されて黒煙が発生し易くなるという事実を見いだした。

なお、図１０〜図１５にＦで示す線図は、噴射した燃料の濃度別分布の拡散状況を模式的に表わしたもので、内側の分布領域ほど燃料の濃度が濃いことを示している。

そして、キャビティ１０内から積極的にスキッシュエリアＳ（キャビティ１０周囲のピストン９の頂面と気筒天井部２３との間の領域）に燃料を向かわせることによって、燃料の拡散性を向上し且つ気筒の内周側よりも酸素が多い外周側（体積が大きい分だけ酸素も多い）で良好に燃焼させて黒煙発生を抑制する技術を創案するに到ったが、前述の特許文献１や特許文献２等は、燃料と空気の混合性ばかりに注目したものとなっていて、キャビティ１０内からスキッシュエリアＳへの効果的な燃料の拡散を実現し得るようにはなっていなかった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気ガスの再循環量を増やしても黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避し得るようにした直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することを目的としている。

本発明は、ピストン頂部に燃焼室の大半をなすような窪むキャビティを形作り、該キャビティ内方へ燃料を噴射して自己着火させる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティの半径方向外側寄り部位から半径方向内側へ向かう凹湾曲面をなす外側曲面部と、該外側曲面部の下端部全周から半径方向内側に向けて下がり込み且つ引き続き立ち上がる凹湾曲面をなす内側曲面部と、該内側曲面部の上端部全周からピストン中心に向けて扁平な円錐状をなすセンタコーンとを備え、内側曲面部の凹湾曲面を外側曲面部の凹湾曲面よりも緩やかな曲りとした構成を採る。

つまり、圧縮行程にあるピストンが圧縮上死点に近付くのに伴い、スキッシュエリアからキャビティへ空気が流入し、外側曲面部に対応した渦と、内側曲面部に対応した縦に長い形の渦が生じる。

ピストンが圧縮上死点付近に至り、燃料の噴射が実行されると、外側曲面部に対応していた渦は消滅し、燃料の噴射により押し出されてきた空気により、内側曲面部に対応している渦が強められ、当該渦は、それ自体が持っている遠心力で上方へ引き伸ばされる。

この渦が燃料混合気を随伴して酸素が多く存在している燃焼室上部へ導き、燃料混合気がスキッシュエリアへ拡散し、これにより、煤の再酸化を促進する。

本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造によれば、キャビティの内底部分や中心部付近に局所的に燃料の濃い領域が生じることがなく、酸素が多く存在しているスキッシュエリアへ燃料混合気が効果的に拡散するので、黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避しながら、排気の再循環量を今までに実現できなかった領域まで増やすことが可能になり、顕著なＮＯｘの低減を達成できる、という優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１〜図７は本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造の一例であって、図中、図８、図９と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

ピストン９の頂部のキャビティ１０は、その開口の外縁部をなす入口リップ部１１と、該入口リップ部１１から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して入口リップ部１１より半径方向外側へ張り出すリエントラント部１２と、該リエントラント部１２から半径方向内側へ向かう凹湾曲面をなす外側曲面部２４と、該外側曲面部２４の下端部全周から半径方向内側に向けて下がり込み且つ引き続き立ち上がる凹湾曲面をなす内側曲面部２５と、該内側曲面部２５の上端部全周からピストン中心Ｏに向けて扁平な円錐状をなすセンタコーン２６とを備えている。

内側曲面部２５の縦断面の半径Ｒ２は外側曲面部２４の縦断面の半径Ｒ１よりも大きく設定してある（これら凹湾曲面は必ずしも単一半径とは限らないので、内側曲面部２５の縦断面の曲率を外側曲面部２４の縦断面の曲率よりも小さく設定してある、という表現が相応しい）。

また、外側曲面部２４と内側曲面部２５は、双方の凹湾曲面が突き合う境界部２７によって区切られている。

また、内側曲面部２５とセンタコーン２６は、凹湾曲面と平坦面とが突き合うエッジ部２８によって区切られている。

なお、上述したピストン９を組み込む車両用エンジンの構造は、図８に示すディーゼルエンジン１と相違しない。

この直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造においては、圧縮行程にあるピストン９が圧縮上死点に近付くのに伴い、スキッシュエリアＳからキャビティ１０へ空気が流入し、図２のように、境界部２７の上方から外側曲面部２４に向けて下降する渦Ｉが生じる。

また、境界部２７の上方から内側曲面部２５に向けて下降し且つ当該内側曲面部２５に沿いながらエッジ部２８に向かう縦に長い形の渦ＩＩが、粘性効果によって渦Ｉとは逆にまわるように生じる。

渦ＩＩを縦に長い形とするためには、内側曲面部２５の縦断面の曲率を外側曲面部２４の縦断面の曲率よりも小さく設定することが要件となる。

ピストン９が圧縮上死点付近に至り、リエントラント部１２に向けて燃料の噴射が実行されると渦Ｉは消滅し、図３（クランク角６°）のように、先の燃料の噴射により押し出されてきた空気ＩＩＩが渦ＩＩを付勢し、図４（クランク角１２°）のように、渦ＩＩを強め、渦ＩＩは、それ自体が持っている遠心力で上方へ引き伸ばされる。

更に、図５（クランク角１８°）のように、符号Ｆが付してある燃料の分布領域、言い替えれば燃料混合気は、渦ＩＩに随伴されて酸素が多く存在している燃焼室上部へ導かれやすくなり、膨張行程にあるピストン９が圧縮上死点から遠ざかるのに伴い、図６（クランク角３０°）及び図７（クランク角４０°）のように、燃料混合気がスキッシュエリアＳへ拡散し、これにより、煤の再酸化が促進される。

このように上述した直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造によれば、キャビティ１０の内底部分や中心部付近に局所的に燃料の濃い領域が生じることがなく、酸素が多く存在しているスキッシュエリアＳへ燃料混合気が効果的に拡散するので、黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避しながら、排気２（図８参照）の再循環量を既存のディーゼルエンジン１で実現できなかった領域まで増やすことが可能になり、顕著なＮＯｘの低減を達成できる。

なお、本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。

本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造の一例におけるピストンのキャビティの詳細を示す断面図である。図１のピストンの圧縮上死点での燃焼噴射状況を示す断面図である。図１のピストンのクランク角６゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。図１のピストンのクランク角１２゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。図１のピストンのクランク角１８゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。図１のピストンのクランク角３０゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。図１のピストンのクランク角４０゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。排気再循環を採用した車両用ディーゼルエンジンの一例を示す概念図である。図８に関連するピストンのキャビティの詳細を示す断面図である。図９のピストンの圧縮上死点での燃焼噴射状況を示す断面図である。図９のピストンのクランク角６゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。図９のピストンのクランク角１２゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。図９のピストンのクランク角１８゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。図９のピストンのクランク角３０゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。図９のピストンのクランク角４０゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。

符号の説明

９ピストン
１０キャビティ
１１入口リップ部
１２リエントラント部
２４外側曲面部
２５内側曲面部
２６センタコーン

Claims

ピストン頂部に燃焼室の大半をなすような窪むキャビティを形作り、該キャビティ内方へ燃料を噴射して自己着火させる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティの半径方向外側寄り部位から半径方向内側へ向かう凹湾曲面をなす外側曲面部と、該外側曲面部の下端部全周から半径方向内側に向けて下がり込み且つ引き続き立ち上がる凹湾曲面をなす内側曲面部と、該内側曲面部の上端部全周からピストン中心に向けて扁平な円錐状をなすセンタコーンとを備え、内側曲面部の凹湾曲面を外側曲面部の凹湾曲面よりも緩やかな曲りとしたことを特徴とする直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
キャビティの開口の外縁部をなす入口リップ部と、該入口リップ部から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して入口リップ部より半径方向外側へ張り出し且つ更に外側曲面部に連なるリエントラント部とを備えた請求項１に記載の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造。